La primera batería de hidruro que funciona a temperatura ambiente

Para que el almacenamiento de energía y el combustible a base de hidrógeno se generalicen, es necesario que sean lo más seguros, altamente eficientes y simples posible. Las actuales pilas de combustible basadas en hidrógeno utilizadas en los coches eléctricos funcionan permitiendo que los protones de hidrógeno pasen de un extremo de la pila de combustible al otro a través de una membrana de polímero al generar energía. El movimiento eficiente y de alta velocidad del hidrógeno en estas pilas de combustible requiere agua, lo que significa que la membrana debe estar constantemente hidratada para que no se seque. Esta restricción añade una capa adicional de complejidad y costo al diseño de baterías y celdas de combustible que limita la viabilidad de una economía energética de próxima generación basada en hidrógeno. Para superar este problema, los científicos han estado luchando por encontrar una manera de conducir iones hidruro negativos a través de materiales sólidos, particularmente a temperatura ambiente.

La espera terminó. «Hemos logrado un verdadero hito», afirma Kobayashi. «Nuestro resultado es la primera demostración de un electrolito sólido que conduce iones de hidruro a temperatura ambiente».

Esquema de una pila de combustible de estado sólido fabricada con el nuevo material y titanio. El resultado de la reacción de descarga galvanostática mostró que el electrodo de Ti estaba completamente hidrogenado a TiH.2 para x ≥ 0,2.

El equipo estaba experimentando con hidruros de lantano (LaH3-δ) por varias razones; El hidrógeno se puede liberar y capturar con relativa facilidad, la conducción de los iones hidruro es muy alta, pueden trabajar por debajo de los 100 °C y tienen una estructura cristalina. Pero, a temperatura ambiente, el número de hidrógenos unidos al lantano varía entre 2 y 3, lo que imposibilita una conducción eficiente. Este problema se llama no estequiometría del hidrógeno y fue el mayor obstáculo superado en el nuevo estudio. Cuando los investigadores reemplazaron parte del lantano con estroncio (Sr) y agregaron solo una pizca de oxígeno, para obtener una fórmula básica de La1xSr.Xh3-x-2yOhyobtuvieron los resultados que esperaban.

El equipo preparó muestras cristalinas del material mediante un proceso llamado molienda de bolas, seguido de recocido. Estudiaron las muestras a temperatura ambiente y descubrieron que podían conducir iones de hidruro a alta velocidad. Luego, probaron su rendimiento en una pila de combustible de estado sólido hecha del nuevo material y titanio, variando las cantidades de estroncio y oxígeno en la fórmula. Con un valor óptimo de al menos 0,2 estroncio, observaron una conversión completa del 100% del titanio en hidruro de titanio, o TiH.2. Esto significa que casi no se han desperdiciado iones hidruro.

«A corto plazo, nuestros resultados proporcionan directrices para el diseño de materiales para electrolitos sólidos que conducen a iones de hidruro», afirma Kobayashi. «A largo plazo, creemos que este es un punto de inflexión en el desarrollo de baterías, pilas de combustible y celdas electrolíticas que funcionan con hidrógeno». El siguiente paso será mejorar el rendimiento y crear materiales para electrodos que puedan absorber y liberar hidrógeno de forma reversible. Esto permite recargar las baterías, además de posibilitar que el hidrógeno se almacene y libere fácilmente cuando sea necesario, lo cual es un requisito para el uso de energía basada en hidrógeno.