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Batería a base de agua creada por científicos de China y Hong Kong utiliza sales de magnesio y calcio similares a la salmuera del tofu, resistió 120 mil ciclos en laboratorio y apunta al almacenamiento de energía en redes eléctricas con foco en seguridad, durabilidad y menor riesgo ambiental.
Científicos de China y Hong Kong desarrollaron una batería a base de agua con electrolito neutro, hecho con sales de magnesio y calcio, similar a la salmuera utilizada en la coagulación del tofu, que funcionó durante 120.000 ciclos de carga en pruebas de laboratorio.
La tecnología aún no está lista para reemplazar baterías de celulares, laptops o coches eléctricos, pero surge como una posibilidad para el almacenamiento de energía en redes eléctricas, donde la seguridad, durabilidad, costo y facilidad de mantenimiento pesan más que el tamaño y la ligereza. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Communications.
La diferencia radica en el intento de resolver uno de los principales problemas de las baterías acuosas. Aunque utilizan electrolitos a base de agua y generalmente no son inflamables, muchas dependen de líquidos fuertemente ácidos o alcalinos, capaces de corroer electrodos, provocar reacciones secundarias, generar gases como hidrógeno y oxígeno y reducir la vida útil del sistema.
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En el nuevo estudio, los investigadores trabajaron con un electrolito acuoso neutro, con pH 7, similar al del agua pura. La solución utiliza sales de magnesio y calcio, ingredientes no inflamables, y cumplió con diversos estándares de seguridad para su descarte, según las pruebas reportadas por el equipo.
Batería a base de agua apunta al almacenamiento para la red eléctrica
La búsqueda de nuevas baterías está ligada al desafío de almacenar energía limpia. Los paneles solares producen un gran volumen de electricidad al mediodía, mientras que las turbinas eólicas tienden a ganar fuerza por la noche y al amanecer, cuando los vientos a grandes altitudes son más intensos.
Las ciudades necesitan almacenar esa energía por horas, días o períodos aún mayores, de manera económicamente viable y ambientalmente sostenible. En este escenario, una batería estacionaria de gran tamaño no necesita tener el tamaño compacto exigido por los electrónicos portátiles.
Las baterías de iones de litio dominan celulares, notebooks y vehículos eléctricos porque concentran mucha energía en poco espacio. Para redes eléctricas, sin embargo, otras características pueden volverse más importantes, como seguridad, bajo costo, larga duración y mantenimiento simple a escala.
Es en este punto donde las baterías acuosas llaman la atención. Al usar electrolitos a base de agua, tienden a ser no inflamables y más baratas que los sistemas convencionales de iones de litio, aunque aún enfrentan importantes limitaciones técnicas.
Polímero orgánico ayudó a mantener la estabilidad
Un electrolito neutro, por sí solo, no basta para crear una batería eficiente. La dificultad radica en encontrar electrodos capaces de almacenar y liberar iones rápidamente, sin disolverse, corroerse o perder su estructura a lo largo de los ciclos.
El equipo concentró las pruebas en el electrodo negativo, etapa en la que muchos proyectos de baterías acuosas fallan. En lugar de un material a base de metal, los científicos sintetizaron tres polímeros orgánicos covalentes, conocidos como COPs.
Estos polímeros son estructuras rígidas, porosas y ricas en carbono, formadas por unidades orgánicas repetidas. Su función es ofrecer poros y sitios químicos activos donde los iones pueden unirse durante el funcionamiento de la batería.
Entre los materiales evaluados, el Hex-TADD-COP fue el que más se destacó. El nombre completo es hexacetona-tetraaminodibenzo-p-dioxina polímero orgánico covalente, una estructura con enlaces químicos donadores de electrones.
Estos enlaces ayudaron a que los iones se movieran rápidamente y también redujeron el voltaje de operación del electrodo. En las pruebas, iones de magnesio y calcio interactuaron de forma reversible con sitios químicos del polímero.
Durante la descarga, los iones se unían al material. Durante la carga, se soltaban nuevamente, repitiendo el movimiento sin una rápida pérdida de rendimiento.
La espectroscopia y el modelado utilizados en el estudio indicaron que este ciclo podría ocurrir con una estabilidad inusual. En la práctica, el electrodo mantuvo el 72,67% de su capacidad después de 120.000 ciclos de carga y descarga.
El resultado de 120.000 ciclos no significa una garantía literal de 300 años
El número de ciclos llamó la atención porque, en un cálculo simple, una batería de red cargada aproximadamente una vez al día tardaría más de 300 años en alcanzar los 120.000 ciclos. Aun así, este resultado no significa que una batería comercial funcionaría durante tres siglos en operación real.
Las pruebas de laboratorio aíslan solo un tipo de estrés. En uso práctico, las baterías enfrentan variaciones de temperatura, defectos de fabricación, contaminación, resecamiento, hinchazón, fallas de empaque y otros problemas que pueden reducir su vida útil.
Por eso, el dato debe interpretarse como señal de una química muy estable, no como una promesa literal de duración de 300 años. La batería a base de agua demostró una resistencia elevada en las pruebas, pero aún necesitaría avanzar hasta una aplicación comercial.
Otro punto importante radica en la densidad de energía. La celda completa alcanzó los 48,3 vatios-hora por kilogramo, un valor menor que el de las baterías de fosfato de hierro y litio, conocidas como LFP, utilizadas actualmente en el almacenamiento de redes eléctricas.
Las baterías LFP generalmente se encuentran entre 90 y 160 Wh/kg, con algunas celdas más recientes por encima de ese rango. Esto indica que la nueva batería probablemente necesitaría ser dos o tres veces más pesada para almacenar la misma cantidad de electricidad.
Seguridad y descarte aparecen como puntos centrales
El mayor peso sería una limitación para celulares, notebooks y coches eléctricos. Para redes eléctricas, sin embargo, la batería puede ubicarse en contenedores cerca de plantas solares, parques eólicos, subestaciones y fábricas, donde el volumen y el peso tienen un impacto diferente.
En este contexto, una tecnología más grande puede ser aceptable si dura mucho más tiempo, evita solventes orgánicos inflamables y ofrece un menor riesgo ambiental en el descarte. La viabilidad económica, sin embargo, aún no puede definirse, ya que depende de la evaluación en producción en masa.
La afirmación ambiental más sólida del estudio involucra las celdas completas, descritas como no tóxicas y adecuadas para el descarte directo en el medio ambiente según los estándares actuales, incluyendo la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos de los Estados Unidos.
Después de los ciclos de carga y descarga, el pH del electrolito permaneció entre 4,91 y 7,02. Los autores tampoco detectaron metales pesados en el análisis del electrolito después de las pruebas.
Esto no significa que las baterías usadas puedan desecharse libremente en ríos, campos o vertederos sin regulación. En laboratorio, la clasificación ambiental depende de las condiciones específicas evaluadas y de la composición química probada.
Los dispositivos comerciales aún incluyen empaques, colectores de corriente, separadores, aglutinantes, residuos de fabricación y otros componentes auxiliares. Aun así, la batería a base de agua indica una dirección de investigación orientada a sistemas más duraderos, no inflamables y con menor riesgo ambiental para el almacenamiento de energía a gran escala.
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