Investigadores dirigidos por Genki Kobayashi en el Clúster RIKEN para Investigación Pionera en Japón han desarrollado un electrolito sólido para el transporte de iones hidruro (H-) a temperatura ambiente. Con esta tecnología basada en lantano se soluciona un enorme problema en el uso del hidrógeno como combustible: su transporte y la posibilidad de pasar los iones a las células energéticas.
Gracias a este descubrimiento, los beneficios de las baterías de estado sólido y las pilas de combustible basadas en hidrógeno están al alcance de la mano, incluida la mejora de la seguridad, la eficiencia y la densidad energética, esenciales para avanzar hacia una economía energética basada en el hidrógeno. El estudio fue publicado en la revista científica Advanced Energy Materials.
Para que el almacenamiento de energía y el combustible de hidrógeno se generalicen, deben ser seguros, muy eficientes y lo más simples posible. Las pilas de combustible de hidrógeno actuales 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 para generar energía.
El movimiento eficiente y a alta velocidad del hidrógeno en estas pilas de combustible requiere agua, lo que significa que la membrana debe hidratarse continuamente para evitar que 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 intentando encontrar una manera de conducir iones hidruro negativos a través de materiales sólidos, particularmente a temperatura ambiente.
Kobayashi dijo: “Hemos alcanzado un verdadero hito. Nuestro resultado es la primera demostración de un electrolito sólido que conduce iones de hidruro a temperatura ambiente".
El equipo experimentó 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 funcionar a temperaturas inferiores a 100 °C y tienen una estructura cristalina.
Sin embargo, a temperatura ambiente, el número de átomos de hidrógeno unidos al lantano fluctúa entre 2 y 3, lo que hace imposible una conducción eficiente. Este problema se llama no estequiometría del hidrógeno y fue el principal 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 La1-xSrxH3-x-2yOy) obtuvieron los resultados que esperaban.
El equipo preparó muestras cristalinas del material mediante un proceso llamado molienda de bolas, seguido de recocido. Luego 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% de titanio en hidruro de titanio, o TiH2. Esto significa que casi no se desperdiciaron iones hidruro. Conductividad extraordinaria que hace que las pilas de combustible sean mucho más eficientes.
Kobayashi dijo: “A corto plazo, nuestros resultados proporcionan pautas para el diseño de materiales de electrolitos sólidos que conducen iones de hidruro. A largo plazo, creemos que este es un punto de inflexión en el desarrollo de baterías, pilas de combustible y celdas de electrolitos que funcionan con hidrógeno”.
El siguiente paso será mejorar el rendimiento y crear materiales para electrodos capaces de absorber y liberar hidrógeno de forma reversible. Esto permitiría recargar “baterías de almacenamiento” y almacenar hidrógeno y luego liberarlo fácilmente cuando sea necesario, un requisito necesario para utilizar energía basada en hidrógeno.
Se trata de un notable paso adelante para hacer que las pilas de combustible sean más prácticas, pero aún quedan problemas prácticos por resolver: este tipo de pilas de combustible nunca pueden descender por debajo del punto de congelación, ni siquiera por breves instantes y ni siquiera parcialmente, so pena de desintegrarse irreversiblemente. de cristales conductores de hidrógeno. Este es un problema aún por resolver, pero aún así es un gran paso adelante en la tecnología de pilas de combustible.
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El artículo Un material que podría revolucionar las pilas de combustible descubierto por equipos de investigadores japoneses procede de Escenarios Económicos .
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