El futuro de las baterías de potasio, ¿reemplazo definitivo de las de litio?

Las baterías de iones de litio (LIBs) se han convertido en la fuente de energía por excelencia para una amplia variedad de dispositivos electrónicos y vehículos en las últimas dos décadas.

Pero, a pesar de los efectos transformadores que han tenido en la sociedad moderna, esta tecnología presenta desventajas que no pueden ser pasadas por alto. Entre ellas se encuentran la limitada disponibilidad del litio y preocupaciones sobre la seguridad y el medio ambiente.

Estos inconvenientes han motivado a científicos de todo el mundo a buscar tecnologías de baterías alternativas, como las baterías de iones de potasio (KIBs).

Baterías de iones de potasio

Las KIBs son un ejemplo destacado de baterías alternativas, ya que están hechas de materiales abundantes y son mucho más seguras que las LIBs. Además, pueden utilizar un electrolito de agua en sal (WISE), lo que las hace más estables desde el punto de vista térmico y químico.

Sin embargo, uno de los desafíos principales en las baterías acuosas de alta tensión es la prevención de la evolución del hidrógeno en el electrodo negativo para su estabilización.

Mientras que las interfaces electroquímicas sólidas (SEI) que se forman entre estos electrodos y la solución de electrolito ayudan a estabilizar los electrodos en las LIBs, apenas se han investigado en el contexto de las KIBs.

Un estudio pionero que aporta conocimiento sobre las baterías de potasio

Para abordar esta importante brecha de conocimiento, un equipo de investigación de la Universidad de Ciencias de Tokio en Japón ha llevado a cabo un estudio pionero para obtener información sobre la formación y las propiedades de SEI en baterías de iones de potasio basadas en electrolito de agua en sal.

El estudio, liderado por el profesor Shinichi Komaba de la Universidad de Ciencias de Tokio, cuenta con la colaboración del profesor asociado junior Ryoichi Tatara, el Dr. Zachary T. Gossage y la Srta. Nanako Ito, todos ellos de la misma institución.

Los investigadores utilizaron principalmente dos técnicas analíticas avanzadas, la microscopía electroquímica de barrido (SECM) y la espectrometría de masas electroquímica operando (OEMS).

El objetivo era observar cómo se forma y reacciona la SEI en tiempo real durante el funcionamiento de una batería de iones de potasio con un electrodo negativo de 3,4,9,10-perilenotetracarboxilato de diimida y una solución de K(FSA)0.6(OTf)0.4∙1H2O WISE desarrollada previamente por el equipo.

Los experimentos revelaron que la SEI forma una capa pasivadora en electrolito de agua en sal similar a la vista en las baterías de iones de litio, con tasas de transferencia de electrones aparentemente lentas, lo que ayuda a suprimir la evolución del hidrógeno.

Esto puede garantizar un rendimiento estable y una mayor durabilidad de las KIBs. Sin embargo, los investigadores observaron que la cobertura de la capa SEI era incompleta a voltajes de funcionamiento más altos, lo que conducía a la evolución del hidrógeno.

La conclusión es que los resultados muestran la necesidad de explorar posibles vías para mejorar la formación de SEI en futuras baterías acuosas.

«Si bien nuestros resultados revelan detalles interesantes sobre las propiedades y la estabilidad de SEI en un WISE en particular, también debemos centrarnos en reforzar la red SEI para lograr una funcionalidad mejorada», comenta el profesor Komaba.

«SEI podría mejorarse mediante el desarrollo de otros electrolitos que produzcan SEIs únicos, así como a través de la incorporación de aditivos de electrolito o el pretatamiento de la superficie del electrodo», amplía.

Comprender mejor una tecnología emergente

Este estudio también destaca el poder de las diferentes técnicas utilizadas para obtener una comprensión sólida de las interacciones electrodo-electrolito en baterías de próxima generación.

«Esperamos que este trabajo anime a otros investigadores a explorar aún más SECM y OEMS como métodos de caracterización avanzados que se pueden incorporar con medidas de batería tradicionales para obtener conocimientos más profundos», apunta el profesor Komaba..

El desarrollo de baterías acuosas como las de iones de potasio será fundamental para las sociedades sostenibles del futuro, ya que podrían reemplazar a las costosas y peligrosas baterías de iones de litio, actualmente utilizadas en vehículos eléctricos, redes inteligentes, sistemas de energía renovable y aplicaciones marinas.

Al hacer que el almacenamiento de energía sea más accesible, las baterías acuosas allanarán el camino hacia una generación de energía neutra en carbono y un futuro más verde.