El dióxido de titanio (TiO2) podría desempeñar un papel fundamental en el desarrollo de la próxima generación de pilas recargables
Las baterías son el futuro. Desde el aumento de los vehículos eléctricos hasta el almacenamiento de energía a escala de red, para permitir el paso a una energía más renovable, la necesidad de baterías mejores y más duraderas nunca ha sido mayor.
La creación de este tipo de baterías más duraderas y con mayor capacidad no es sencilla, y aún quedan varios problemas por superar. Aunque dista mucho de ser una solución lista para su uso comercial, la investigación ha demostrado que el dióxido de titanio podría desempeñar un papel importante en el futuro de las pilas, sobre todo las recargables.
Baterías de iones de litio
La mayoría de las baterías que se utilizan para almacenar grandes cantidades de energía o diseñadas para recargarse son baterías de iones de litio.
Estas baterías almacenan y liberan energía moviendo iones entre los «extremos» negativos y positivos (electrodos) a través de una sustancia química llamada electrolito. Cuando carga la batería, los iones se mueven hacia el electrodo negativo. Cuando se utiliza la batería, los iones fluyen hacia el electrodo positivo, generando una corriente eléctrica.
En las baterías normales, el proceso que tiene lugar para generar una carga eléctrica solo puede ocurrir una vez y en una dirección. Sin embargo, en las baterías recargables de iones de litio, el proceso químico es reversible para permitir que la batería se use nuevamente.
¿Por qué dióxido de titanio?
Desde reemplazar los electrodos en baterías nuevas hasta acelerar el proceso de carga, el dióxido de titanio (TiO2) ha demostrado ser útil de varias maneras.
«Hay algunas características sobre el TiO2 que son útiles para las baterías recargables», dice el profesor Colm O’Dwyer, de la Universidad de Cork, Irlanda, que ha realizado investigaciones sobre el tema.
«En primer lugar, permite una reacción reversible con litio que es relativamente estable en comparación con el grafito que contiene litio que se encuentra en varios electrolitos de la batería. Debido a que puede circular durante mucho tiempo, posiblemente reduce de alguna manera la necesidad de reciclar las baterías».
La capacidad de recargar baterías es cada vez más importante para el creciente número de dispositivos móviles y electrónicos que se utilizan, y también en el cambio a formas renovables de energía donde la producción variable de energía solar o eólica se puede suavizar a través del almacenamiento eficiente de energía.
Baterías de nanotubos
En 2014, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) de Singapur desarrolló un método para transformar nanopartículas de dióxido de titanio en nanotubos mediante agitación. Estos pequeños tubos, una milésima parte del ancho de un cabello humano, se crean mediante un método de agitación que alarga las partículas en forma de tubo.
Un gel que contenía los nanotubos se colocó en el electrodo negativo de una batería de iones de litio, en lugar del grafito tradicional. Esto aceleró la reacción química en el electrolito, creando una batería que se puede recargar al 70 por ciento de su capacidad en solo dos minutos, con una vida útil esperada de 20 años. Esto significa que el desperdicio de las baterías podría reducirse drásticamente.
A medida que se usan baterías, los materiales en ellas comienzan a romperse; Esto es lo que causa la reducción en el rendimiento. Pero, como el profesor O’Dwyer y su equipo descubrieron en 2015, cuando se agregó una versión porosa de dióxido de titanio a una batería de iones de litio, los materiales de la batería permanecieron intactos después de cargarse y descargarse más de 5 000 veces.
«Esta disposición 3D de nanopartículas de la fase rutilo del dióxido de titanio se denomina ‘ópalo inverso’ y se forma rellenando ópalos artificiales hechos en el laboratorio con el material activo de la batería», dice el profesor O’Dwyer.
Las estructuras inversas del ópalo se encuentran naturalmente en la naturaleza. Estas estructuras periódicamente porosas forman las partes coloridas e iridiscentes de las alas de mariposa, las plumas de pavo real, las estructuras exoesqueléticas de los gorgojos y el ratón de mar, por nombrar algunos».
En una batería, la versión porosa del dióxido de titanio es conductora, sin necesidad de aditivos utilizados actualmente en electrodos de baterías comerciales.
Además de esto, el litio reacciona eficientemente con la estructura porosa, lo que significa que la batería se recarga rápidamente.
Las baterías de litio que contienen TiO2 pueden denominarse baterías de iones de litio basadas en titanato de litio (LTO). Además de las mejoras de carga y una vida útil más larga, las baterías de litio basadas en LTO también son más seguras ya que los componentes de la batería son más estables.
Un nanobosque de baterías de iones de litio de nanocables.
Más allá del litio
Pero no todo se trata de iones de litio.
Cuando un ion de litio se abre paso de un electrodo a otro, se transfiere un electrón. Sin embargo, los investigadores han comenzado a experimentar con otros metales, conocidos como metales multivalentes, en los que se transfieren dos o más electrones por cada ion. La naturaleza más eficiente de la reacción podría aumentar el almacenamiento de la batería en dos o tres veces.
El único problema es determinar qué tipo de materiales deben usarse para los componentes de estas baterías.
La investigación publicada en septiembre de 2015, por un equipo que incluye al Dr. Benjamin Morgan, del Departamento de Química de la Universidad de Bath, Inglaterra, encontró que reemplazar el electrodo negativo con TiO2 puede permitir que funcione una batería multivalente.
Esto se debe a que el TiO2 se puede adaptar para introducir defectos deliberadamente, que proporcionan un espacio para que los iones como el magnesio y el aluminio (iones multivalentes) se llenen, transfiriendo más de un electrón cada vez.
El efecto de esto en una batería es que podría almacenar más energía que la batería de iones de litio de tamaño equivalente.
«Hay bastantes obstáculos técnicos que superar, incluida la búsqueda de materiales que sean buenos electrodos para iones multivalentes», dijo el Dr. Morgan en ese momento. «A largo plazo, esta prueba de concepto es un posible paso hacia baterías ‘más allá del litio’ con un rendimiento superior».
Al discutir la investigación sobre nuevos materiales de baterías que podrían tener múltiples aplicaciones, desde dispositivos móviles hasta almacenamiento en la red de energía, el Dr. Morgan dijo que las baterías más eficientes serían «cada vez más importantes a medida que nos destetamos de los combustibles fósiles y adoptamos fuentes de energía más ecológicas.
El futuro
Una ventaja de usar TiO2 en baterías del futuro es que es abundante
Además de esto, «la forma de TiO2 , después de reaccionar con el litio ciclo tras ciclo, es muy estable en muchos electrolitos de batería para un uso de larga duración», dice O’Dwyer.
Pero aún quedan algunos desafíos. «El TiO2 como ánodo (electrodo positivo) tiene un voltaje más alto que el grafito utilizado actualmente», dice O’Dwyer.
Generalmente se prefiere un voltaje más bajo porque esto permite maximizar el voltaje de salida de la batería. «No todas las baterías recargables requieren esto; La longevidad de un funcionamiento estable también puede ser importante para algunas aplicaciones
Entonces, cuando se trata de TiO2 , incluso si se puede desarrollar para uso comercial, puede que no sea la respuesta a todos los problemas de la batería recargable, pero podría ser la solución para algunos.
«Puede que no sea la opción óptima para baterías de alta densidad de energía para vehículos eléctricos, por ejemplo», dice el profesor O’Dwyer.
Pero agrega que el uso de TiO2 sería valioso para las baterías en otras aplicaciones, como en computadoras portátiles o teléfonos, «donde la recarga de larga duración es importante».
