Convertir un residuo tan cotidiano como las cáscaras de pipas en material para baterías recargables ya no es solo una idea llamativa, sino una realidad en los laboratorios de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU). Un equipo de investigación ha demostrado que este tipo de biomasa puede emplearse para fabricar componentes clave de baterías más sostenibles.
El proyecto, liderado por la doctora Nekane Nieto dentro del Grupo de Estado Sólido y Materiales de la UPV/EHU, ha conseguido desarrollar baterías de iones de sodio en las que se aprovecha la biomasa residual como base para el ánodo. Estas baterías no solo son recargables, sino que soportan alrededor de 1.000 ciclos de carga y descarga manteniendo una capacidad de almacenamiento considerada adecuada para aplicaciones reales.
Baterías de iones de sodio para depender menos del litio
Buena parte del interés de este trabajo radica en que se apoya en baterías de iones de sodio, una tecnología que en los últimos años ha ganado peso como alternativa a las baterías de litio convencionales. El sodio es mucho más abundante y barato que el litio, y su extracción está menos asociada a problemas de escasez o tensiones geopolíticas.
En la actualidad, prácticamente todas las baterías que mueven vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos de uso diario son de iones de litio. Para su fabricación se emplean litio, cobalto, níquel y manganeso, elementos que figuran en la lista de materias primas críticas de la Unión Europea por su disponibilidad limitada y por el impacto ambiental de su extracción.
El grupo de la UPV/EHU persigue precisamente reducir la dependencia de esos materiales críticos desarrollando sistemas de almacenamiento basados en sodio y utilizando biomasa como fuente de carbono. La idea es que las futuras baterías no solo sean eficientes desde el punto de vista energético, sino también más asumibles desde la óptica ambiental y económica europea.
Las baterías, en esencia, se componen de un cátodo (electrodo positivo), un ánodo (electrodo negativo) y un electrolito que permite el movimiento de los iones entre ambos extremos. El trabajo de este equipo se ha centrado en el ánodo, buscando sustituir materiales convencionales por carbones derivados de residuos orgánicos que, de otro modo, acabarían en la basura.
De las cáscaras de pipas al ánodo: cómo se aprovecha la biomasa
Para encontrar el mejor material posible, el grupo de investigación ha ensayado distintos tipos de biomasa residual recogida en Euskadi. Entre los residuos utilizados figuran posos de café, tallos de plantas, arbustos de especies invasoras, pepitas y piel de uva, mazorcas de maíz o incluso compost obtenido a partir de biorresiduos municipales.
Todos estos residuos se transforman en carbones por procesos de tratamiento térmico, de manera que se obtiene un material rico en carbono con propiedades adecuadas para funcionar como ánodo en una batería. Una vez preparados y caracterizados esos carbones, se prueban en celdas electroquímicas para evaluar su capacidad de almacenamiento y su estabilidad frente a numerosos ciclos de carga y descarga.
Entre todos los materiales analizados, los mejores resultados se han conseguido con el carbón derivado de las cáscaras de pipas. Estas proporcionan una estructura que favorece la inserción y extracción de los iones de sodio, permitiendo que las cargas se desplacen con eficacia entre el ánodo y el cátodo y generen una corriente eléctrica estable.
El equipo ha llegado a montar pilas de tipo botón en las que el ánodo de carbón de cáscaras de pipas se combina con cátodos que contienen hierro, titanio y/o vanadio, elementos que no se consideran tan críticos como el cobalto o el níquel y que pueden utilizarse en cantidades menores. Así se completa una celda recargable donde tanto el electrodo negativo como el positivo se asientan sobre materiales relativamente abundantes.
Resultados: hasta 1.000 ciclos de carga con impacto ambiental reducido
Los prototipos fabricados con este enfoque han mostrado prestaciones muy competitivas en el laboratorio. Según los datos del equipo, las baterías de tipo botón con ánodos de carbón procedente de cáscaras de pipas son capaces de almacenar una cantidad de energía adecuada para su tamaño y, además, soportan incluso alrededor de 1.000 ciclos de carga y descarga sin perder de forma drástica su capacidad.
Para valorar el alcance real de este desarrollo, los investigadores no se han limitado a medir parámetros electroquímicos. También han llevado a cabo un análisis de ciclo de vida para determinar qué combinación de ánodo y cátodo ofrece el mejor equilibrio entre rendimiento energético e impacto ambiental a lo largo de toda la existencia de la batería.
En ese análisis se han comparado distintas opciones de cátodo, siempre con la premisa de elegir químicas lo más respetuosas posible con el entorno. Las composiciones basadas en hierro, titanio o vanadio han permitido reducir el uso de elementos críticos y, al mismo tiempo, mantener unas prestaciones consideradas satisfactorias para aplicaciones concretas.
La conclusión de este trabajo es que se trata de baterías recargables hechas a partir de cáscaras de pipas y otros residuos de biomasa que pueden integrarse en soluciones reales, especialmente donde no se requiera una densidad de energía tan elevada como la que ofrecen las baterías de litio que dominan hoy el mercado.
Aplicaciones, límites actuales y próximos pasos de la investigación
A pesar de los buenos resultados en cuanto a ciclos de vida y uso de materiales menos críticos, los propios responsables del estudio subrayan que estas baterías de iones de sodio aún no igualan el rendimiento global de las de litio. La densidad de energía sigue siendo inferior, algo que condiciona su empleo en ámbitos como el vehículo eléctrico, donde el espacio y el peso son determinantes.
Por el momento, el uso más realista que se plantea para estas celdas es como sistema complementario o en dispositivos de menor tamaño. Podrían emplearse en sensores triboeléctricos, pequeños aparatos electrónicos o sistemas estacionarios donde prime la sostenibilidad y el coste, por encima de la máxima densidad energética.
La investigación continúa para escalar la tecnología a baterías de mayor capacidad y optimizar tanto el proceso de obtención de los carbones de biomasa como las formulaciones de los electrodos. La idea a medio plazo es acercarse a sistemas que puedan competir con soluciones comerciales en segmentos concretos, sin perder de vista la reducción del impacto ambiental.
Este trabajo también insiste en la importancia de explorar vías distintas a las tecnologías ya consolidadas. Desde la UPV/EHU se insiste en que no es suficiente con mejorar las baterías existentes; resulta necesario abrir líneas alternativas que permitan aprovechar residuos orgánicos y adaptarse a distintas aplicaciones, de forma que la industria disponga en el futuro de un abanico más amplio de opciones de almacenamiento.
Investigación vasca en clave de economía circular
Más allá de los datos técnicos, el proyecto encaja de lleno en la lógica de la economía circular y el aprovechamiento de recursos locales. Utilizar cáscaras de pipas, posos de café o restos agrícolas de Euskadi como base para fabricar materiales de alto valor añadido supone dar una segunda vida a desechos que, por lo general, terminan en vertederos o en procesos de gestión de residuos de menor valor.
La iniciativa forma parte de la tesis doctoral de Nekane Nieto Álvaro, desarrollada en el Grupo de Estado Sólido y Materiales bajo la supervisión de la profesora Verónica Palomares Durán y del catedrático Teófilo Rojo Aparicio. Parte de las tareas se han llevado a cabo en colaboración con el grupo SUPREN de la Escuela de Ingeniería de Bilbao, lo que refuerza el carácter multidisciplinar del proyecto dentro del ecosistema científico vasco.
Desde la perspectiva europea, este tipo de desarrollos encajan con los objetivos de reducir el uso de materias primas críticas y avanzar hacia tecnologías más limpias en el ámbito del almacenamiento de energía. La posibilidad de fabricar baterías con materiales obtenidos a pocos kilómetros del lugar donde se van a utilizar añade un componente estratégico de soberanía de recursos.
En último término, el trabajo de la UPV/EHU muestra que es posible fabricar dispositivos de almacenamiento a partir de residuos orgánicos sin renunciar por completo a unas prestaciones competitivas. Aunque estas baterías todavía estén lejos de sustituir a las de litio en todos los usos, apuntan hacia un modelo en el que parte de la energía que consumimos pueda depender de materiales recuperados y locales, reduciendo costes ambientales y abriendo nuevas oportunidades para la innovación en Europa.
