Nueva vida para las baterías de níquel-hierro de Thomas Alva Edison

Una antigua batería de níquel-hierro desarrollada por Thomas Alva Edison en 1900 ha sido actualizada y optimizada por un grupo de ingenieros y científicos de Stanford University, logrando desarrollar una tipología de batería recargable que puede cargarse en su totalidad en un tiempo aproximado de dos minutos. Se prevé que este desarrollo podría ser una alternativa de bajo coste y alto rendimiento en coches eléctricos.

Hongjie Dai, profesor en Stanford University y uno de los líderes del grupo de investigación, indicó que la batería de Edison tiene una elevada durabilidad, pero a su vez registra distintos inconvenientes. Por ejemplo, su velocidad de carga y de descarga es muy lenta en su versión original.

Fue diseñada en 1900 pensando en brindar potencia a los vehículos eléctricos, y a su vez fue ampliamente utilizada sobre mediados de la década de 1970. En la actualidad sobrevive únicamente un puñado de compañías fabricantes de baterías de níquel-hierro, siendo utilizadas principalmente para almacenar el excedente de electricidad de paneles solares y turbinas eólicas.

El desarrollo de los especialistas de Stanford University se ha difundido a través de una nota de prensa de este centro de estudios, y además ha merecido un artículo recientemente publicado en el medio especializado Nature Communications, bajo el título An ultrafast nickel–iron battery from strongly coupled inorganic nanoparticle/nanocarbon hybrid materials.

Baterías de níquel-hierro ultrarrápidas

Dai y su equipo han mejorado notablemente el rendimiento de esta tecnología, que cuenta con un siglo de antigüedad. Los especialistas de Stanford han creado baterías de níquel-hierro ultrarrápidas, que se pueden cargar completamente en aproximadamente dos minutos y se descargan en menos de 30 segundos.

De esta forma, la velocidad de carga y descarga se ha multiplicado en alrededor de 1.000 veces con respecto a las baterías originales. En consecuencia, el alto rendimiento obtenido y el bajo coste de la tecnología podrían aprovecharse en algún momento para nuevas generaciones de vehículos alimentados mediante energía eléctrica.

Se cumpliría de esta forma la utilidad ideada inicialmente por Edison para estas baterías de níquel-hierro, en una nueva vida de una tecnología que comenzó a comercializarse sobre 1900. En esa primera etapa, fue utilizada en los coches eléctricos hasta alrededor de 1920. Asimismo, su larga vida útil y la fiabilidad de las baterías permitió que se convirtieran en una alternativa popular en ferrocarriles, minas y otras industrias, mayormente hasta mediados del siglo XX.

Edison creó originalmente la batería de níquel-hierro como una alternativa barata frente a las opciones de ácido y plomo. Su diseño básico consiste en dos electrodos, un cátodo de níquel y un ánodo de hierro, bañados en una solución alcalina. Tanto el níquel como el hierro son elementos abundantes en el planeta, y resultan menos tóxicos en comparación a otras alternativas.

Detalles de la optimización tecnológica

Para mejorar el rendimiento de la batería de Edison, el equipo de ingenieros y científicos de Stanford ha utilizado grafeno y nanotubos de carbono. Estas estructuras de tamaño nanométrico de tan sólo un átomo de grosor se han dispuesto en paredes con múltiples nanotubos de carbono integrados con grafeno.

En los electrodos convencionales, se mezcla el hierro y el níquel con carbono como conductor en forma azarosa para optimizar el rendimiento de los dispositivos, pero en este caso se ha planificado la integración de nanocristales de óxido de hierro con el grafeno y nanocristales de hidróxido de níquel con los nanotubos de carbono.

Esta técnica produjo una unión química fuerte entre las partículas de metal y los nanotubos de carbono, que tuvo un efecto trascendental en el incremento del rendimiento de las baterías. El acoplamiento de las partículas de níquel y hierro en el sustrato de carbono permitió que las cargas eléctricas se muevan con mayor rapidez entre los electrodos y el circuito exterior.

El resultado es una versión ultrarrápida de la batería de níquel-hierro ideada originalmente por Edison, que ahora puede cargarse y descargarse en cuestión de segundos. El prototipo de batería de 1 voltio desarrollado en el laboratorio de Dai y su equipo tiene el poder suficiente para operar una linterna.

El objetivo de los investigadores es desarrollar una batería más grande, que pueda ser utilizada para la red eléctrica, el transporte público o los coches eléctricos.

Aunque la batería probablemente no sea capaz de alimentar un coche eléctrico en forma independiente porque la densidad de energía no es la ideal, podría colaborar con las baterías de litio-ion aportando más energía para la aceleración o el frenado regenerativo, por ejemplo.