Japón desarrolla una batería de hidrógeno que opera a 90 °C para un almacenamiento más seguro y eficiente

Por qué importa ahora una batería de hidrógeno que opera a 90 °C

Investigadores en Japón presentaron una batería de hidrógeno que almacena y libera hidrógeno a unos 90 °C, o 194 °F. Esa temperatura de funcionamiento es muy inferior a los 300-400 °C que suelen necesitar los sistemas sólidos de almacenamiento de hidrógeno basados en hidruro de magnesio. El resultado aborda el aspecto más difícil de un sistema de energía de hidrógeno: un almacenamiento fiable y seguro, eficiente y reversible. El equipo del Instituto de Ciencia de Tokio, dirigido por el Dr. Takashi Hirose junto con el profesor adjunto Naoki Matsui y el profesor del instituto Ryoji Kanno, del Centro de Investigación de Baterías Totalmente de Estado Sólido de Ciencia de Tokio, informa del avance en la revista Science, en un artículo fechado el 18 de septiembre de 2025.

El hidrógeno puede trasladar energía entre distintos momentos y lugares sin emitir dióxido de carbono durante su uso. Almacenarlo ha sido un obstáculo persistente. Los tanques de gas comprimido son pesados y costosos, y el hidrógeno líquido requiere temperaturas criogénicas cercanas a los 253 °C bajo cero. Un sistema práctico de almacenamiento sólido que opere cerca del punto de ebullición del agua cambiaría las opciones de diseño para vehículos, plantas industriales y almacenamiento de energía renovable. La nueva celda utiliza hidruro de magnesio como medio de almacenamiento y un electrolito sólido especial que conduce iones hidruro, lo que permite ciclos de carga y descarga a plena capacidad a una temperatura que los equipos reales pueden soportar.

Qué construyeron los investigadores

El dispositivo es una celda electroquímica que utiliza el hidrógeno como portador activo de carga. El hidruro de magnesio, cuya fórmula es MgH2, funciona como ánodo, donde se almacena el hidrógeno. El gas hidrógeno es el cátodo. Entre ambos hay un electrolito sólido de nuevo diseño que conduce iones hidruro con gran rapidez, incluso a temperatura ambiente. La composición del electrolito, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, tiene una estructura cristalina de tipo anti-alfa-AgI, conocida por su comportamiento superiónico, que ofrece a los iones hidruro una vía rápida para desplazarse a través del sólido.

Cómo se carga y descarga la celda

Durante la carga, el ánodo libera iones hidruro del MgH2. Estos iones migran a través del electrolito sólido hacia el electrodo de hidrógeno, donde se oxidan para formar gas hidrógeno. Durante la descarga, el gas hidrógeno del cátodo se reduce a iones hidruro. Estos iones vuelven a atravesar el electrolito hasta el lado del ánodo, donde reaccionan con el magnesio para volver a formar MgH2. El proceso es completamente reversible, por lo que el mismo material puede almacenar hidrógeno y liberarlo una y otra vez a unos 90 °C, sin recurrir a temperaturas extremas.

En términos electroquímicos, la celda reemplaza el esquema habitual, basado únicamente en electrones, por otro en el que el hidrógeno participa directamente. El voltaje y la corriente aplicados durante la carga y la descarga impulsan el movimiento de los iones hidruro. Ese control sustituye el aporte de calor intenso que exigen muchos sistemas de almacenamiento térmico, lo que reduce las pérdidas de energía y simplifica el diseño del sistema.

Por qué es difícil almacenar hidrógeno

Los tanques de hidrógeno comprimido funcionan a presiones que suelen alcanzar entre 350 y 700 bar. La energía necesaria para comprimirlo reduce la eficiencia neta, y los tanques añaden peso y costo a cualquier uso móvil. El hidrógeno líquido evita los tanques grandes, pero presenta otros obstáculos. Para licuarlo, hay que enfriarlo por debajo de 21 K, lo que requiere equipos criogénicos de alto consumo energético. Las pérdidas por evaporación son un desafío constante, sobre todo en entornos cálidos y durante un uso lento.

Los materiales sólidos ofrecen otra alternativa. Pueden almacenar hidrógeno de forma compacta y a baja presión. Muchos de los hidruros más estudiados solo liberan hidrógeno al calentarse a temperaturas muy elevadas. El calor necesario complica los sistemas y reduce la eficiencia de ciclo completo. Los métodos electroquímicos a temperaturas más bajas que utilizan electrolitos líquidos han tenido dificultades porque los iones hidruro no se desplazan bien en líquidos diseñados para baterías de litio o sodio, por lo que las capacidades han quedado muy por debajo de lo que los sólidos pueden almacenar en teoría. El equipo japonés resuelve el cuello de botella del transporte al utilizar un sólido diseñado para mover iones hidruro con rapidez.

El interior del nuevo electrolito sólido

El electrolito conduce iones hidruro y tiene una estructura de tipo anti-alfa-AgI. En esta estructura, el bario, el calcio y el sodio ocupan posiciones que crean una red de sitios y canales. Los iones hidruro pueden saltar entre sitios tetraédricos y octaédricos con poca resistencia, lo que produce una alta conductividad iónica incluso a temperatura ambiente. Ese rápido movimiento permite que una celda de hidruro de magnesio funcione a 90 °C.

Además de su rapidez, el material muestra estabilidad electroquímica. Un electrolito sólido evita los problemas de mezcla y las reacciones secundarias que pueden afectar a los sistemas líquidos. El separador sólido aísla el electrodo de hidrógeno del hidruro de magnesio y, al mismo tiempo, permite el paso de los iones hidruro. Esta disposición favorece ciclos repetibles y reduce los riesgos de seguridad relacionados con fugas o volatilidad. La composición puede ajustarse modificando las proporciones de bario, calcio y sodio, lo que ofrece una vía de investigación para mejorar la conductividad, la estabilidad y la capacidad de fabricación.

Rendimiento y significado de las cifras

El prototipo alcanzó la capacidad teórica total de almacenamiento del hidruro de magnesio, unos 2.030 miliamperios-hora por gramo, lo que corresponde a un 7,6 % de hidrógeno en peso. Es una cifra ambiciosa para un medio práctico de almacenamiento de hidrógeno. Alcanzarla con una celda que funciona cerca de los 90 °C supone un cambio importante, porque combina una gran capacidad con condiciones de funcionamiento viables desde el punto de vista de la ingeniería.

La clave es que el electrolito permite el movimiento rápido de los iones hidruro a temperatura ambiente. Así, la celda solo necesita un calentamiento moderado para mantener en marcha la cinética del hidruro de magnesio sin desperdiciar energía. Las temperaturas inferiores a 100 °C simplifican los calentadores, el aislamiento, los sellos y las medidas de seguridad frente a los sistemas que requieren varios cientos de grados Celsius. Una menor temperatura de funcionamiento también facilita la integración térmica. El calor residual de una pila de combustible o de un motor puede ayudar a mantener la celda de almacenamiento dentro de su rango de funcionamiento.

La reversibilidad es importante para el uso real. El equipo informa de ciclos repetidos de almacenamiento y liberación a plena capacidad y baja temperatura, algo que no habían conseguido los métodos térmicos ni los de electrolito líquido anteriores. Esa combinación de alta densidad energética, menor temperatura y ciclos repetibles acerca la idea a una plataforma que los desarrolladores podrían integrar en vehículos o equipos de almacenamiento estacionario.

Posibles usos, desde vehículos hasta el almacenamiento en la red eléctrica

Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno necesitan un almacenamiento compacto, seguro, ligero y eficiente. Un sistema sólido que funcione cerca del punto de ebullición del agua puede reducir parte de la dependencia de los tanques de alta presión. Un módulo de batería de hidrógeno podría cargarse en una estación al absorber hidrógeno producido en el lugar y, más tarde, liberar gas según la demanda para alimentar una pila de combustible. El diseño sólido y reversible reduce la necesidad de sistemas criogénicos complejos o de muy alta presión, lo que puede abaratar los costos y ofrecer más opciones de diseño para automóviles, camiones y autobuses.

En el sector eléctrico, una batería de hidrógeno se combina de forma natural con fuentes intermitentes. La energía solar o eólica puede alimentar un electrolizador para producir hidrógeno cuando abunda la electricidad. La batería de hidrógeno puede absorber y almacenar el gas a baja presión y liberarlo más tarde para una pila de combustible o una turbina durante los picos de demanda o cuando la producción renovable es baja. El método puede servir para microrredes, sistemas aislados y centros remotos donde no resulta práctico instalar grandes grupos de tanques.

Los usuarios industriales necesitan un suministro de hidrógeno fiable y flexible. La producción de acero y amoníaco, así como las operaciones de refinería, requieren flujos constantes para mantener estables los procesos. Un banco modular de almacenamiento sólido proporciona una reserva que puede absorber fluctuaciones de corto plazo en el suministro y la producción. El funcionamiento a menor temperatura y la construcción sólida pueden facilitar su instalación dentro de las plantas y reducir las trabas para obtener permisos frente al almacenamiento criogénico.

Desafíos de ingeniería y escalado

Mantener una celda cerca de los 90 °C es más sencillo que operarla a 300 °C, pero aun así requiere gestión térmica. Los diseñadores deben incorporar calentadores, aislamiento y sistemas de control para mantener la temperatura en climas fríos y evitar el sobrecalentamiento en condiciones cálidas. Los cambios bruscos de temperatura durante la carga y la descarga rápidas requieren una gestión cuidadosa para que los materiales no se agrieten ni se degraden.

Los materiales y la fabricación serán importantes. El electrolito es un hidruro de varios componentes sensible al oxígeno y la humedad. La producción de polvos con la estequiometría, el tamaño de partícula y la pureza adecuados, y su posterior conformación en separadores densos y sin defectos, requerirá entornos controlados y controles de calidad. El hidruro de magnesio reacciona con el agua y el oxígeno, por lo que el diseño del paquete debe impedir la entrada de aire y humedad. La durabilidad mecánica ante los cambios de volumen durante los ciclos es otra prueba, ya que los hidruros se expanden y contraen. Los desarrolladores trabajarán en recubrimientos, aglutinantes y control de la presión del conjunto para mantener baja la resistencia y prolongar su vida útil.

La integración del sistema plantea las cuestiones habituales de seguridad del hidrógeno. Los equipos de gestión del gas deben prevenir las fugas y permitir una ventilación segura. Los sensores, las válvulas y los reguladores deben funcionar con el conjunto de almacenamiento sólido para que el sistema completo cumpla los códigos y las normas. El tamaño, el peso y el costo determinarán su posible uso en vehículos. En las aplicaciones estacionarias, los equipos auxiliares, desde los electrolizadores y las pilas de combustible hasta la electrónica de potencia, deben dimensionarse para que la eficiencia de ciclo completo supere a la de las alternativas. Los proyectos piloto a escalas crecientes serán esenciales para conocer el rendimiento a largo plazo y las necesidades de mantenimiento.

Comparación con otras opciones de almacenamiento

Los sistemas de gas comprimido son sencillos, pero implican un gasto energético para la compresión y requieren tanques resistentes y pesados. El hidrógeno líquido almacena mucha energía en poco espacio, pero exige equipos criogénicos y una manipulación cuidadosa para evitar pérdidas por evaporación. La batería de hidrógeno cambia ese equilibrio: utiliza calor moderado y electricidad para mover iones hidruro y almacenar hidrógeno en un sólido de gran capacidad. La ausencia de equipos criogénicos y de recipientes de muy alta presión puede simplificar las evaluaciones de seguridad y reducir las cargas auxiliares.

Otros materiales de almacenamiento sólido, como los hidruros complejos —por ejemplo, los alanatos o los borohidruros—, suelen requerir catalizadores y aun así funcionan a altas temperaturas y con una cinética lenta. El hidruro de magnesio es ligero y abundante. Al combinarlo con un conductor rápido de iones hidruro, cambia el paso que limita la velocidad del proceso. El electrolito se encarga del transporte de iones, mientras que el calor moderado facilita la química de liberación y absorción del hidrógeno. Esa división de funciones permite alcanzar la capacidad total a una temperatura accesible.

Qué habrá que observar en la próxima etapa

La reproducción independiente de los resultados y el escalado más allá de las pequeñas celdas de laboratorio serán los próximos hitos. Las celdas y los conjuntos de mayor formato deberán demostrar la misma capacidad y reversibilidad, además de un funcionamiento estable durante cientos o miles de ciclos. La capacidad de carga y descarga rápidas, la respuesta al uso con ciclos de encendido y apagado y la seguridad en condiciones de abuso serán aspectos que la industria observará de cerca.

Las vías de comercialización suelen depender de alianzas. Los fabricantes de automóviles, los desarrolladores de energía y los proveedores de gases industriales evaluarán el costo por kilogramo de hidrógeno almacenado, la eficiencia energética del sistema durante la carga y la descarga, y las necesidades de mantenimiento. Si se estandarizan los métodos de fabricación del electrolito y los componentes del paquete, y se demuestra una larga vida útil, la tecnología podría avanzar hacia proyectos piloto que combinen electrolizadores, módulos de baterías de hidrógeno y pilas de combustible en entornos reales.

Puntos clave

• Investigadores japoneses informan de una batería de hidrógeno que funciona a unos 90 °C, muy por debajo de los 300-400 °C que necesitaban los sistemas anteriores basados en hidruro de magnesio.
• La celda utiliza hidruro de magnesio como ánodo, gas hidrógeno como cátodo y un electrolito sólido que conduce rápidamente iones hidruro.
• El electrolito, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, tiene una estructura de tipo anti-alfa-AgI que permite una alta conductividad iónica a temperatura ambiente.
• Las pruebas alcanzaron la capacidad teórica total del hidruro de magnesio, unos 2.030 mAh por gramo, equivalentes a un 7,6 % de hidrógeno en peso.
• El funcionamiento por debajo de los 100 °C reduce las pérdidas de energía y simplifica la gestión térmica, los sellos y las medidas de seguridad frente a los sistemas que requieren mucho calor.
• El ciclo reversible almacena y libera hidrógeno repetidamente sin el calor extremo que exigen los métodos térmicos convencionales.
• Entre sus posibles usos están los módulos de almacenamiento para vehículos, el almacenamiento de energía a escala de red combinado con electrolizadores y el almacenamiento de reserva para la industria.
• Los desafíos principales incluyen la gestión térmica, la protección frente al aire y la humedad, la vida útil, la capacidad de fabricación y la integración del sistema.
• El trabajo fue dirigido por el Dr. Takashi Hirose, junto con el profesor adjunto Naoki Matsui y el profesor del instituto Ryoji Kanno, del Instituto de Ciencia de Tokio.
• Los resultados se publicaron en Science el 18 de septiembre de 2025 y ahora deberán someterse a pruebas de reproducción y escalado.