Batería acuosa

Una batería acuosa es una batería eléctrica que utiliza una solución a base de agua como electrolito . Las baterías acuosas existen desde la década de 1860. Si bien la mayoría de los diseños no tienen la densidad de energía ni la vida útil requeridas por los casos de uso típicos ( almacenamiento en la red y vehículos eléctricos ), ^{[ 1 ]} generalmente se consideran más seguras, más confiables y relativamente económicas en comparación con las baterías de iones de litio . ^{[ 2 ]} Hasta la década de 2010, las baterías acuosas también encontraron un nicho en aplicaciones de alta potencia, como las herramientas eléctricas inalámbricas , pero los avances en la química de los iones de litio permitieron que las baterías de iones de litio las reemplazaran. ^{[ 3 ]}

La batería de plomo-ácido fue inventada por Gaston Planté en 1859, aunque la comercialización del diseño con electrolito de ácido sulfúrico diluido requirió veinte años de trabajo de múltiples inventores. Medio siglo después, en la década de 1930, aparecieron las modernas baterías reguladas por válvula ("selladas"). ^{[ 1 ]}

Las baterías alcalinas aparecieron por primera vez a principios del siglo XX, y la batería de níquel-cadmio fue reemplazada por la de níquel-hidruro metálico en la década de 1980 (la batería de níquel-hidrógeno se desarrolló en la década de 1970 y todavía se utiliza en los satélites ). ^{[ 1 ]}

A principios de la década de 2020, las baterías acuosas representaban la mitad del mercado de baterías recargables . ^{[ 1 ]}

En comparación con las baterías de iones de litio, las acuosas tienen las siguientes ventajas: ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]}

• La seguridad y la fiabilidad están relacionadas con la no inflamabilidad (debido al alto contenido de agua; la batería aún puede explotar si se sobrecalienta), la alta tolerancia a la manipulación mecánica incorrecta y la resistencia a la sobrecarga (debido al ciclo de oxígeno );
• El bajo coste se basa en materias primas baratas ( el ácido sulfúrico es muy económico en comparación con, por ejemplo, el hexafluorofosfato de litio ), una fabricación que no requiere entornos libres de oxígeno y un mínimo de componentes electrónicos debido a su seguridad y fiabilidad inherentes;
• La rápida velocidad de reacción permite una carga y descarga más rápidas y proporciona consistencia en todo el rango de temperaturas.

En comparación con las baterías de iones de litio, tienen los siguientes inconvenientes: ^{[ 6 ] [ 4 ]}

• una ventana electroquímica estrecha : el agua comienza a electrolizarse a un potencial de 1,23 voltios . Aunque una selección inteligente de materiales puede extender la ventana a 2,3  V y el uso de un electrolito de alta concentración (el llamado electrolito de agua en sal) puede ampliar la ventana a 3 V, ^{[ 7 ]} en la práctica solo las baterías de plomo-ácido alcanzan los 2 V, mientras que el resto de los diseños en producción se limitan a un potencial ligeramente superior a 1 V, lo que limita enormemente la densidad de energía (las celdas de iones de litio suelen proporcionar 3,3–3,9  V). Tanto la densidad de energía volumétrica como la de masa de las baterías de iones de litio son 2-3 veces mejores; ^{[ 8 ]}
• El agua, al ser un disolvente agresivo, provoca la solvatación y disociación de los componentes de la batería y puede causar corrosión , lo que limita la elección de materiales y la vida útil de la batería;
• La vida útil del ciclo es un orden de magnitud menor.

Las baterías acuosas son objeto de una extensa investigación en el siglo XXI ^{[ 5 ]} (con un aumento "asombroso" en las publicaciones desde 2015 ^{[ 4 ]} ); las innovaciones en materiales desde principios de siglo permiten un mejor rendimiento que el de las baterías acuosas "tradicionales", lo que podría llevar a que estas baterías evolucionen hasta convertirse en un complemento de las de iones de litio en los campos del transporte y el almacenamiento de electricidad. ^{[ 6 ]}

Tahir et al. ^{[ 9 ]} identifican las siguientes direcciones de investigación:

• batería acuosa de iones de litio (LIAB). El primer prototipo se produjo en 1994;
• batería acuosa de iones de sodio (SIAB);
• batería acuosa de iones de potasio (PIAB);
• batería acuosa de iones de zinc (ZIAB);
• batería acuosa de iones de magnesio (MIAB);
• batería acuosa de iones de aluminio (AIAB).

• Liang, Yanliang; Yao, Yan (15 de noviembre de 2022). "Diseño de baterías acuosas modernas". Nature Reviews Materials . 8 (2): 109– 122. doi : 10.1038/s41578-022-00511-3 . eISSN 2058-8437 . 
• Chao, Dongliang; Zhou, Wanhai; Xie, Fangxi; Ye, Chao; Li, Huan; Jaroniec, Mietek; Qiao, Shi-Zhang (22 de mayo de 2020). "Hoja de ruta para baterías acuosas avanzadas: del diseño de materiales a las aplicaciones" . Science Advances . 6 (21) eaba4098. Bibcode : 2020SciA....6.4098C . doi : 10.1126/sciadv.aba4098 . eISSN 2375-2548 . PMC 7244306. PMID 32494749 .   
• Tahir, Chenar A.; Agarwal, Charu; Csóka, Levente (13 de abril de 2020). «Avances en baterías de iones “verdes” que utilizan electrolitos acuosos». Baterías recargables: historia, progreso y aplicaciones . Wiley. págs. 379–401 . doi : 10.1002/9781119714774.ch16 . ISBN  978-1-119-66119-1.
• Pistola, G. (20 de mayo de 2013). «Dispositivos portátiles: Baterías» . En Jürgen Garche; Chris K. Dyer; Patrick T. Moseley; Zempachi Ogumi; David AJ Rand; Bruno Scrosati (eds.). Enciclopedia de fuentes de energía electroquímicas . Newnes. pag.  33.ISBN​ 978-0-444-52745-5OCLC 1136567377 .​