Los resistentes exoesqueletos de los cangrejos y sus congéneres marinos son ricos en sustancias químicas útiles y versátiles, como el carbonato de calcio, que tiene usos medicinales e industriales, o quitina, el segundo polímero natural más abundante de la Tierra. Ahora se ha sabido que, aprovechando debidamente este potencial, se podría desarrollar una batería de quitina y zinc, que además de ser biodegradable, mantendría una considerable potencia eléctrica.
A lo largo de los años, los científicos han extraído la quitina de los caparazones de los crustáceos para todo tipo de aplicaciones, desde la ingeniería de tejidos hasta la fabricación de plástico biodegradable. Con todo, como la quitina y su polímero hermano, el quitosano, se consideran ecológicos y no tóxicos, se ha producido un gran interés en incorporar estos compuestos químicos a las baterías de los coches eléctricos.
En un artículo publicado en la revista Matter, un grupo de ingenieros de la Universidad de Maryland explica cómo ha desarrollado una impresionante batería de quitina y zinc que es biodegradable, y que mantiene una considerable potencia eléctrica.
"Se trata de una aplicación muy interesante de la quitina, que aprovecha su capacidad de renovación y su potencial de unión al zinc para crear nuevos materiales de electrodos", ha explicado Mark MacLachlan, profesor de materiales supramoleculares de la Universidad de Columbia Británica, que no participó en el estudio.
Las reacciones químicas denominadas reacciones redox producen un ritmo constante de corriente eléctrica en forma de electrones en movimiento. Éstos viajan a través de un circuito formado por los electrodos de la batería, su electrolito químico y cualquier aparato o dispositivo al que esté conectada la batería.
Hay una gran variedad de metales y electrolitos utilizados en una pila. Por ejemplo, en una pila alcalina doméstica común, el electrodo positivo (el cátodo) está hecho de óxido de manganeso y el electrodo negativo (o ánodo) está hecho de zinc. El electrolito intermedio es hidróxido de potasio.
En las pilas de iones de litio, el litio suele ir acompañado de otro metal, como el cobalto, en el cátodo y el carbono en el ánodo, y también constituye el electrolito.
Las baterías de iones de litio son la estrella emergente del mundo de la energía por su ligereza y su gran capacidad energética, además de ser recargables, por lo que no es de extrañar que estas baterías se hayan introducido en casi todos los dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos en las últimas décadas. Sin embargo, la extracción de litio tiene un coste elevado y devastador para el medio ambiente, y las baterías de iones de litio no son fácilmente degradables o reciclables, lo que no las hace totalmente compatibles con la sostenibilidad,.
"Con el aumento de la demanda de vehículos eléctricos en los últimos años, se están produciendo y consumiendo grandes cantidades de baterías, lo que plantea la posibilidad de que se produzcan problemas medioambientales", ha afirmado Meiling Wu, primera autora del nuevo estudio y becaria postdoctoral de la Universidad de Maryland, para añadir que "por ejemplo, los separadores de polipropileno y policarbonato, muy utilizados en las baterías de iones de litio, tardan cientos o miles de años en degradarse y suponen una carga para el medio ambiente".
Wu y sus colegas de la Universidad de Maryland se centraron en las pilas de zinc, que son una batería común desechable pero no recargable, y como este mineral es más fácil de conseguir que el litio y menos tóxico, ha habido mucho interés en que el zinc sea nuestro héroe energético. Sin embargo, cambiar el litio por el zinc no es fácil, ya que en las pilas como electrodo, el zinc tiene una molesta tendencia a formar irregularidades en su superfici, que se forman a medida que los electrones se desplazan y se convierten en pequeñas protuberancias que se convierten en bolas de nieve cada vez más grandes, llamadas dendritas, que interrumpen la corriente eléctrica de la pila.
Dado que el quitosano, un derivado de la quitina tratado químicamente, interactúa bien con el agua y es capaz de evitar que flote por ahí a su antojo, Wu y sus colegas creyeron que podían utilizarlo para fabricar un separador de baterías -una membrana semipermeable que mantiene separados los electrodos con cargas opuestas- que además es biodegradable.
Los investigadores tomaron una película de quitosano del tamaño de una moneda y la bañaron en una solución con zinc para que el mineral se adhiriera a la película. A continuación, escurrieron la película de quitosano y zinc y la apretaron con fuerza para densificarla. A diferencia de los intentos anteriores de densificar las películas de quitosano, esta técnica permitió obtener poros comparativamente grandes, de hasta cinco micrómetros de tamaño, lo que permitió la libre circulación de iones.
Cuando Wu y sus colegas pusieron en marcha su batería Krabby en el laboratorio, no observaron la formación de dendritas en el ánodo de zinc, y de forma impresionante, generó una corriente eléctrica de 50 miliamperios por centímetro cuadrado durante 400 horas o 1.000 ciclos de carga, lo que se acerca mucho a lo que pueden hacer las pequeñas baterías de litio.
A continuación, enterraron el electrolito a base de quitosano, no toda la batería, para ver cuánto tardaba en degradarse. Wu afirma que los microorganismos que habitan en la tierra tardaron unos cinco meses en consumir el electrolito, lo cual es mucho más rápido que los electrolitos convencionales que se depositan en los vertederos y, sin duda, es bueno para el medio ambiente.
"Esto no significa que el dispositivo de la batería en sí se degrade en cinco meses", ha explicado Wu, para quien "en realidad, el electrolito está empaquetado en una celda cerrada, que está separada del aire y de los organismos. Este tipo de dispositivo puede funcionar durante mucho más tiempo".
Aunque no se van a ver baterías a base de caparazón de cangrejo a corto plazo, los investigadores esperan que sus baterías se conviertan en algo habitual, utilizadas en dispositivos electrónicos como el teléfono móvil o en sistemas de almacenamiento de energía renovable destinados a una red comercial.
Teniendo en cuenta que el quitosano sólo cuesta unos 1,70 dólares por gramo y que no se necesita mucha cantidad para fabricar su prototipo (sólo unos 20 microgramos para una batería del tamaño de una moneda de 20 milímetros), eso puede dar a la batería de quitosano y zinc una ventaja en cuanto al precio respecto a las baterías de iones de litio, que sufren un aumento de la demanda y los costes correspondientes.
Además, según ha explicado Wu, existen otras fuentes de quitina, como los insectos y las paredes celulares de los hongos, por lo que no es del todo un fracaso si una fuente marina se queda en el camino. Y aunque hasta ahora nadie ha intentado sintetizar la quitina en el laboratorio, quién sabe lo que puede deparar el futuro.
Por el momento, parece que los desperdicios marinos salados podrían convertirse en el futuro en una solución a nuestros problemas energéticos.
