"Es como descubrir el santo grial: un material barato, no tóxico y respetuoso con el ambiente que produce ánodos para baterías de ion litio de alta eficacia".
Las palabras son de Zachary Favors, un estudiante recién graduado en la Universidad de California, Riverside que ha participado en la investigación para desarrollar una batería que supera hasta tres veces la duración de una batería estándar disponible en el mercado hoy en día.
Puede que muy pronto (si no ya mismo) usted esté pisando ese material que Favors define como
"el santo grial",
porque no es otro que arena de playa.
Favors trabaja en un laboratorio de la universidad en el que se investiga una de las más importantes obsesiones de la actual industria tecnológica: cómo desarrollar baterías que aguanten más tiempo entre carga y carga. Concretamente, Favors se centra en estudiar el ánodo, el electrodo que pierde electrones y cuya polaridad es negativa en un dispositivo que genera energía, como son las baterías.
El grafito ha sido el material mayoritariamente utilizado para los anodos, pero a medida que los móviles y similares se han ido haciendo más potentes, la capacidad del grafito se ha visto superada, y es uno de los topes a la hora de mejorar las baterías.
De forma que se están dedicando muchos esfuerzos a sustituir el grafito por otros materiales, entre ellos el silicio a nivel nanoscópico. El problema con las nanoestructuras de silicio es que, sometidas a estrés, se fracturan con facilidad, haciendo que pierda irreversiblemente parte de su capacidad y eficacia. Esto se ha intentado remediar fabricando nanotubos de silicio con doble capa, o tratando las nanopartículas de silicio a posteriori con calor.
Sin embargo, estas nanoestructuras de silicio, que han demostrado un buen rendimiento electroquímico como material para fabricar ánodos, son difícilmente escalables debido a su alto coste, o requieren para su fabricación el uso de procesos o elementos que son altamente tóxicos. Ambos factores lo convierten en un material poco adecuado para fabricar baterías a nivel industrial.
Un vistazo a la arena a nivel microscópico
Pero Favors seguramente no pensaba en nada de esto cuando hace aproximadamente seis meses surfeaba en las playas de San Clemente, en California. Cuando al salir de agua se tumbó en la arena, comenzó a juguetear con ella sin prestarle mucha atención. Hasta que se le encendó la bombilla: la arena de playa está formada principalmente por cuarzo, o dióxido de silicio. Era un buen sitio por donde empezar.
Investigó en qué lugar de Estados Unidos se encuentra arena con mayor porcentaje de silicio, lo que le llevó al este de Dallas, y tras recoger muestras volvió al laboratorio para molerla y purificarla. Eliminó otros elementos presentes de forma habitual en la arena, entre ellos restos orgánicos. Pero para que sirviese de algo, tenía que reducir el cuarzo y extraer el silicio, descartando el oxígeno.
La reducción del cuarzo se puede conseguir aplicando calor, un proceso bien conocido por los químicos, que se logra mezclando el cuarzo pulverizado con otro elemento, y calentándolos. Los más comunes son el carbono, el magnesio, el aluminio y el calcio. En los procesos industriales para obtener silicio, el carbono suele ser el más utilizado. Sin embargo, estos no eran aplicables en esta ocasión: las temperaturas que hay que aplicar superan los 2.000 grados, que habrían fundido el silicio por el camino. El carbono, por tanto, no podía ayudar a Favors.
La importancia de otro elemento 'playero': la sal
El magnesio ofrecía una oportunidad más interesante. Cuando se lleva a cabo una reducción magnesotérmica, las temperaturas a alcanzar son más bajas, aproximadamente unos 650 grados. Para ayudar a mantener la temperatura a niveles adecuados, Favors añadió otro elemento que se puede encontrar en abundancia en una playa: la sal. Mucha sal, unas diez partes de sal por cada parte de cuarzo.
El cloruro de sodio ayudó a eliminar parte del calor generado por la propia reacción química: manuvo la temperatura en unos agradables 801 grados, evitando que sobrepasase el punto de fundición del silicio. A posteriori, los científicos descubrieron además que tras el horneado el valioso elemento quedaba en forma de nanoesponjas con una alta porosidad, una de las claves para mejorar el rendimiento de las baterías. Doble éxito.
Los resultados obtenidos por Favors y el resto del equipo han sido publicados en Nature Scientific Reports. Los científicos esperan despertar el interés comercial por su hallazgo, ya que aseguran que podría ser la clave para lograr baterías para coches eléctricos que tuviesen una vida útil hasta tres veces más larga,
"algo que sería muy importante para los consumidores, si tenemos en cuenta que sustituir estas baterías cuesta miles de dólares".
Además, su densidad energética es tres veces más alta que las de los ánodos tradicionales basados en grafito,
"lo que quiere decir que los móviles y tabletas podrían aguantar el triple de tiempo entre cargas".
De momento, los autores están centrados en encontrar cómo producir mayores cantidades de este nanosilicio a partir de arena de playa, y planea pasar de trabajar con pilas de botón a baterías como las que se utilizan en los móviles.
