A medida que la demanda mundial de energía continúa creciendo, investigadores, líderes de la industria, gobiernos y otras partes interesadas están trabajando juntos para explorar nuevas formas de producir energía. Este esfuerzo se ha vuelto más urgente a medida que el mundo enfrenta la crisis climática y busca alternativas a los combustibles fósiles.
Una tecnología que ha atraído mucha atención es la pila de combustible de óxido sólido, o SOFC. A diferencia de las baterías, que liberan energía química almacenada, estas pilas de combustible convierten el combustible químico directamente en electricidad y producen energía mientras haya combustible disponible. Mucha gente ya está familiarizada con las pilas de combustible de hidrógeno, que utilizan gas hidrógeno para producir electricidad y agua.
¿Por qué la alta temperatura de funcionamiento es un desafío importante?
Aunque las SOFC son conocidas por su alta eficiencia y larga vida operativa, tienen una seria limitación: requieren temperaturas extremadamente altas, de alrededor de 700 a 800 °C para funcionar correctamente. Alcanzar y mantener estas temperaturas requiere materiales especiales que puedan soportar el calor intenso, lo que encarece los sistemas.
Los investigadores de la Universidad de Kyushu, informando en Nature Materials, ahora dicen que han desarrollado una SOFC que opera eficientemente a sólo 300 grados Celsius. Según el equipo, este avance podría reducir costos, ayudar a construir SOFC de baja temperatura y acelerar su uso en el mundo real.
Papel clave de los electrolitos en el rendimiento de las pilas de combustible
En el núcleo de cada SOFC hay un material llamado electrolito, una capa cerámica que elimina las partículas cargadas entre los electrodos de la pila de combustible. En una pila de combustible de hidrógeno, esta capa transporta iones de hidrógeno (también conocidos como protones), que permiten que la pila genere electricidad. Sin embargo, los electrolitos suelen requerir temperaturas extremadamente altas para mantener estos protones moviéndose lo suficientemente rápido para un funcionamiento eficiente.
“Reducir la temperatura de funcionamiento a 300 grados Celsius reducirá los costos de materiales y abrirá la puerta a sistemas a nivel de consumidor”, dijo Yoshihiro Yamazaki, profesor de la Plataforma de Investigación Energética Inter/Transdisciplinaria de la Universidad de Kyushu. “Sin embargo, ninguna cerámica conocida podría transportar protones lo suficientemente rápido en condiciones tan ‘calientes’. Así que nos propusimos romper esa barrera”.
Resolviendo el problema de los dopantes en redes cristalinas.
Los electrolitos están formados por átomos dispuestos en una red cristalina. Los protones se mueven a través de los espacios entre estos átomos. Durante años, los científicos han probado diversos materiales y dopantes químicos (sustancias que modifican las propiedades de un material) con la esperanza de acelerar el movimiento de los protones a través de la red.
“Pero esto supone un desafío”, explica Yamazaki. “Añadir dopantes químicos puede aumentar el número de protones móviles que pasan a través de un electrolito, pero esto normalmente obstruye la red cristalina, ralentizando los protones. Buscamos cristales de óxido que puedan albergar muchos protones y permitirles moverse libremente, un equilibrio que nuestra nueva investigación finalmente ha logrado”.
Un gran avance a 300 °C utilizando BaSnO3 y BaTiO3 dopados con Sc
El equipo descubrió que dos óxidos, el estannato de bario (BaSnO3) y titanato de bario (BaTiO3), cuando se dopó con altos niveles de escandio (Sc), alcanzó una conductividad de protones objetivo superior a 0,01 S/cm a 300°C. Esta conductividad es similar a la que logra el electrolito SOFC actual a 600-700°C.
“El análisis estructural y las simulaciones de dinámica molecular revelaron que los átomos de Sc se unen a los oxígenos circundantes para formar un ‘ScO’.6 “autopista”, a lo largo de la cual viajan los protones con barreras de migración inusualmente bajas. Esta vía es amplia y tiene un pulso suave, lo que evita el atrapamiento de protones que normalmente afecta a los óxidos fuertemente dopados”, dice Yamazaki.3 y BaTiO3 son inherentemente ‘más suaves’ que los materiales SOFC convencionales, lo que les permite absorber mucho más Sc de lo que se suponía anteriormente”.
Abriendo la puerta a pilas de combustible asequibles de baja temperatura
Estos resultados revierten el antiguo equilibrio entre agregar más dopantes y mantener una rápida movilidad de iones, lo que proporciona un camino prometedor hacia SOFC rentables y de temperatura intermedia.
“Más allá de las pilas de combustible, el mismo principio se puede aplicar a otras tecnologías, como la electrólisis a baja temperatura, las bombas de hidrógeno y los reactores que convierten el CO2 en productos químicos valiosos, multiplicando así los efectos de la descarbonización. Nuestro trabajo transforma una paradoja científica de larga data en una solución práctica, acercando la energía asequible del hidrógeno a la vida cotidiana”, concluye Yamazaki.
