Científicos de Stanford desarrollan baterías de hierro más eficientes para autos eléctricos y energías limpias

Un equipo interdisciplinario de Stanford University logró un avance relevante en el desarrollo de baterías de hierro más eficientes y sostenibles, con el diseño de un material capaz de alcanzar un estado de energía superior a lo considerado posible.

Este resultado, publicado en Nature Materials, podría revolucionar el almacenamiento de energía y la movilidad eléctrica, ya que permite la fabricación de baterías de mayor capacidad y voltaje destinadas tanto a vehículos eléctricos como a sistemas de almacenamiento a gran escala.

El trabajo reunió a 23 investigadores de Stanford University, junto con laboratorios nacionales de Estados Unidos y universidades de Japón y Corea del Sur. El equipo demostró que, aunque el hierro tradicionalmente libera dos o tres electrones en reacciones de óxido-reducción, puede alcanzar un estado de oxidación más alto y transferir hasta cinco electrones por átomo durante la carga y descarga. Este fenómeno inédito abre la posibilidad de construir baterías con mayor densidad energética y voltajes superiores.

La investigación comenzó en 2018 por iniciativa de William Gent, entonces estudiante de doctorado, quien planteó la hipótesis de forzar al hierro a liberar más electrones. Si bien solo ejecutó experimentos preliminares, su planteamiento sentó las bases para el trabajo posterior.

A partir de 2021, Hari Ramachandran y Edward Mu retomaron la investigación y solucionaron el desafío de mantener la estabilidad estructural, al reducir el tamaño de las partículas a entre 300 y 400 nanómetros y sintetizar los cristales a partir de una solución líquida cuidadosamente formulada.

Cinco electrones por átomo y un comportamiento cooperativo

Las pruebas electroquímicas iniciales en el SLAC-Stanford Battery Center verificaron que el compuesto de litio, hierro, antimonio y oxígeno (LFSO) permitía la transferencia reversible de cinco electrones por átomo de hierro sin que la estructura cristalina colapsara.

Es por ello que consultaron técnicas avanzadas de espectroscopía y modelado computacional, lideradas por Eder Lomeli y el asesoramiento de Tom Devereaux, para confirmar que el oxígeno tiene un papel esencial, colaborando con el hierro en la transferencia electrónica. “Los átomos en este material tan bien ordenado se comportan como una sola entidad”, señaló Lomeli en declaraciones recogidas por Stanford University.

El impacto de este desarrollo se extiende más allá de las baterías de ion-litio. Según Stanford University, el nuevo material podría ser útil para tecnologías de magnetismo —como la resonancia magnética en medicina o los sistemas de levitación magnética para trenes de alta velocidad— y también para el desarrollo de superconductores.

Su aplicación inmediata se centra en el almacenamiento de energía para vehículos eléctricos y sistemas estacionarios, sectores donde el hierro está desplazando al cobalto y al níquel por su menor costo y mayor abundancia.

Desafíos para la industria y una alternativa sostenible

El contexto internacional refuerza la importancia de este avance. El 70% del cobalto mundial se extrae en la República Democrática del Congo, bajo denuncias de explotación infantil y daños ambientales.

Este escenario impulsó la adopción de cátodos de litio, hierro y fósforo que ya equipan el 40% de las baterías de ion-litio actuales, sobre todo para vehículos eléctricos y redes de almacenamiento, aunque presentan voltajes más bajos. El LFSO desarrollado por Stanford University representa la posibilidad de superar esa barrera al ofrecer un cátodo de hierro de alto voltaje y reversible.

Entre los retos para su comercialización, el equipo de Stanford University trabaja en la optimización de la forma, composición y química de las partículas, y en la búsqueda de un sustituto para el antimonio, que es costoso y presenta riesgos en la cadena de suministro.

William Chueh, asesor principal del proyecto, subrayó: “Nuestra exploración detallada de la estructura electrónica de este material basado en hierro proporciona evidencia concluyente de oxidación más allá de tres electrones”.

El equipo internacional continúa perfeccionando el material y su proceso de fabricación con el fin de llevarlo al mercado. La posibilidad de disponer de un cátodo de hierro de alto voltaje elimina la tradicional disyuntiva entre rendimiento y el uso de metales caros. Así, el avance logrado acerca la promesa de baterías más accesibles, potentes y sostenibles, capaces de marcar el futuro del almacenamiento de energía.