- Un equipo de la Academia China de Ciencias logra la primera batería de hidrógeno recargable basada en iones hidruro en estado sólido.
- El nuevo electrolito 3CeH3@BaH2 permite conducir iones H⁻ evitando dendritas y mejorando el potencial de seguridad.
- El prototipo alcanza 1,9 V y cerca de 984 mAh/g, aunque aún muestra degradación y está lejos de su uso comercial.
- En España, proyectos como HELIOS (ITE) exploran sistemas híbridos con pila de hidrógeno para micromovilidad, alineados con la apuesta europea por el hidrógeno verde.
El almacenamiento de energía se ha convertido en uno de los grandes cuellos de botella de la transición energética, tanto para la movilidad eléctrica como para integrar más renovables en la red. En ese contexto, la llamada batería de hidrógeno llevaba años apareciendo en informes y presentaciones, pero sin terminar de dar el salto de los modelos teóricos a un dispositivo funcional.
Durante mucho tiempo, el uso de iones hidruro (H⁻) como portadores de carga se había visto frenado por un problema muy concreto: no existía un electrolito sólido que reuniera conductividad suficiente, estabilidad química y compatibilidad con los materiales de los electrodos. Una combinación de factores que mantenía esta tecnología en el terreno de las promesas. Un trabajo reciente demuestra que ese bloqueo ya no es insalvable.
Un prototipo chino que lleva la batería de hidrógeno a la práctica
Un equipo del Instituto de Física Química de Dalian, perteneciente a la Academia China de Ciencias, ha presentado el primer prototipo operativo de batería de hidrógeno recargable basado en iones hidruro en estado sólido, cuyos resultados se han publicado en la revista científica Nature.
A diferencia de las baterías convencionales, que confían en los iones de litio para transportar la carga, esta celda utiliza hidrógeno en forma de H⁻. Según los investigadores, esta elección química permite, en teoría, evitar la aparición de dendritas metálicas, esas estructuras que pueden perforar el separador, provocar cortocircuitos internos y acelerar la degradación de las baterías de litio.
El dispositivo desarrollado es completamente de estado sólido y recurre a materiales ya conocidos en el campo del almacenamiento de hidrógeno. Como cátodo se emplea hidruro de sodio y aluminio (NaAlH₄), mientras que el ánodo se fabrica con dihidruro de cerio (CeH₂), ambos compuestos habituales en aplicaciones experimentales relacionadas con el hidrógeno.
Sobre esa base, el grupo de Dalian ha conseguido ensamblar la celda CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4, considerada la primera batería de hidrógeno recargable que muestra un funcionamiento estable en condiciones reales de laboratorio y no solo en simulaciones.
El papel del electrolito: una arquitectura «core-shell» para mover iones H⁻
El gran salto no está tanto en los electrodos como en el electrolito sólido, el componente encargado de permitir el movimiento de los iones entre ambos polos. El equipo dirigido por el profesor Ping Chen ha optado por una estructura tipo «core-shell» en la que un material actúa como núcleo conductor y otro como capa protectora.
En concreto, el «core» está formado por hidruro de cerio (CeH₃), conocido por su elevada conductividad iónica para los iones hidruro, mientras que la «shell» o recubrimiento la constituye una delgada capa de hidruro de bario (BaH₂), que aporta estabilidad química frente a los electrodos y al entorno.
El material resultante, designado como 3CeH3@BaH2, funciona como un electrolito sólido capaz de conducir iones H⁻ a temperatura ambiente. Además, el estudio señala que se comporta como un superconductor iónico cuando la temperatura supera aproximadamente los 60 grados Celsius, lo que abre margen de maniobra para trabajar en distintas condiciones operativas.
Esta solución resuelve un problema que durante décadas había impedido plantear baterías de hidrógeno recargables con garantías mínimas de funcionamiento. Sin un «canal» estable por el que circularan los iones, el concepto quedaba limitado a ecuaciones y esquemas sobre el papel.
Con el nuevo electrolito, los investigadores han logrado completar el circuito interno y comprobar que la migración de iones hidruro entre el ánodo de CeH₂ y el cátodo de NaAlH₄ puede mantenerse de forma repetida durante sucesivos ciclos de carga y descarga.
Prestaciones iniciales: capacidad específica, voltaje y pruebas de uso real
Las mediciones realizadas con el prototipo indican que el electrodo positivo es capaz de ofrecer una capacidad específica de descarga cercana a 984 mAh por gramo a temperatura ambiente en las primeras pruebas. Se trata de un valor elevado si se compara con muchos sistemas comerciales, aunque conviene recordar que estamos ante una celda de laboratorio.
Tras una veintena de ciclos de carga y descarga, la capacidad se estabiliza en torno a 402 mAh/g, lo que supone una pérdida significativa respecto al valor inicial, pero evidencia que el sistema mantiene actividad electroquímica tras repetidos usos. Los autores del estudio hablan de una degradación moderada en esta fase de desarrollo, aún muy preliminar.
En cuanto al voltaje, la celda presenta una tensión operativa aproximada de 1,9 voltios en configuración apilada. Aunque esta cifra está por debajo de la de muchas baterías de litio comerciales, es suficiente para realizar demostraciones de funcionamiento en aplicaciones sencillas.
Como prueba de concepto, el equipo de Dalian conectó la batería a una lámpara LED amarilla. El encendido estable del diodo, más allá de simulaciones por ordenador, sirve como demostración práctica de que la celda puede alimentar un dispositivo real en corriente continua, lo que confirma la viabilidad experimental del enfoque.
En un comunicado, los investigadores subrayan que el uso de hidrógeno como portador de carga evita la formación de dendritas metálicas y abre vías alternativas para el almacenamiento y la conversión de energía limpia. Más que un reemplazo inmediato del litio, esta batería se perfila como un nuevo «familia» de tecnologías que podría convivir con otras químicas en el futuro.
Hidrógeno en baterías frente a hidrógeno como combustible
Cuando se habla de hidrógeno en el sector energético, lo habitual es pensar en pilas de combustible, depósitos a alta presión o tanques criogénicos para alimentar camiones, autobuses o incluso barcos. En esos sistemas, el hidrógeno se combina con oxígeno para generar electricidad, y el agua es prácticamente el único subproducto.
La propuesta de la batería de hidrógeno cambia de enfoque: en lugar de quemarse o reaccionar en una pila de combustible, el hidrógeno se desplaza dentro de la celda en forma de ion, de un electrodo a otro, del mismo modo que lo hacen los iones de litio en las baterías actuales. Es un matiz técnico, pero implica una arquitectura, materiales y desafíos de ingeniería distintos.
Uno de los retos históricos de este planteamiento ha sido encontrar compuestos sólidos que permitan el movimiento controlado de iones H⁻ sin degradarse ni reaccionar de forma indeseada con los electrodos. El nuevo electrolito «core-shell» apunta a que este problema puede gestionarse mejor de lo que se pensaba, al menos en entornos de laboratorio.
Pese a ello, la tecnología está lejos de ser «la batería milagro». Las limitaciones en número de ciclos, la necesidad de agrupar muchas celdas para conseguir tensiones útiles y el comportamiento del sistema en condiciones variables de temperatura son factores que todavía se encuentran en fase de estudio.
Con todo, el avance aporta una señal relevante para la industria: el almacenamiento electroquímico no tiene por qué quedar ligado de forma exclusiva al litio o al sodio. La aparición de soluciones como la batería de hidrógeno amplía el abanico de combinaciones químicas sobre la mesa para la próxima década.
¿Hasta dónde puede llegar esta alternativa al litio?
Situar la batería de hidrógeno en el mapa de la innovación energética exige comparar sus posibles aplicaciones con las de las tecnologías ya consolidadas. En sectores como el vehículo eléctrico o el almacenamiento estacionario asociado a renovables, la diversificación de materiales se ha convertido en un objetivo estratégico para reducir la exposición a las materias primas críticas.
Sin embargo, el prototipo actual arrastra retos importantes. Uno de los más evidentes es la escalabilidad industrial: pasar de una celda fabricada en laboratorio a líneas de producción de alto volumen requiere procesos de síntesis de materiales reproducibles, cadenas de suministro estables y costes razonables, algo que aún está por abordar.
A esto se suma la durabilidad a largo plazo. Los ensayos realizados se han limitado a alrededor de 20 ciclos, una cifra muy baja si se compara con las exigencias de cualquier producto comercial, que se miden en cientos o miles de ciclos. Es necesario testar cómo se comporta el electrolito, cómo evolucionan los electrodos y qué mecanismos dominan la degradación conforme se multiplican las cargas y descargas.
También hay cuestiones relacionadas con la gestión térmica y el diseño de módulos. El hecho de que el material electrolítico se comporte como superconductor iónico a más de 60 °C puede ser una oportunidad, pero también obliga a definir ventanas de operación y sistemas de refrigeración o aislamiento adaptados.
Por todo ello, los propios autores del trabajo reconocen que el sistema no está listo para entrar en el mercado. Lo relevante, en esta fase, es haber demostrado que una celda de este tipo puede funcionar de manera recargable y repetida, algo que hasta ahora se consideraba poco menos que un experimento de alto riesgo.
El hidrógeno en la estrategia energética europea y española
Mientras los laboratorios exploran nuevas químicas como la batería de hidrógeno, en Europa el debate gira en paralelo alrededor del hidrógeno verde como vector energético para descarbonizar el transporte y la industria pesada. La mayor parte del hidrógeno que se consume hoy en el mundo es todavía «gris», es decir, se obtiene a partir de combustibles fósiles, con un coste climático elevado.
La Unión Europea ha situado al hidrógeno renovable como pieza clave de su Pacto Verde y se ha marcado objetivos como la instalación de decenas de gigavatios de electrolizadores para 2030. El planteamiento es producir hidrógeno mediante electrólisis del agua utilizando electricidad de origen renovable -solar, eólica u otras- para eliminar prácticamente las emisiones de CO2 asociadas a su producción.
Dentro de este marco común, España aspira a desarrollar una posición destacada como productor de hidrógeno renovable gracias a su combinación de recurso solar y eólico. La Hoja de Ruta del Hidrógeno recoge metas como alcanzar varios gigavatios de electrolizadores operativos y reducir varios millones de toneladas de CO2 equivalente en el horizonte de 2030.
Este impulso no se centra solo en grandes plantas industriales o proyectos de transporte pesado, sino también en soluciones de menor escala vinculadas a la movilidad eléctrica y al almacenamiento distribuido, como proyectos de hidrógeno en puertos. Es en este terreno donde empiezan a aparecer iniciativas que conectan el hidrógeno con las baterías desde un punto de vista práctico.
La combinación de tecnologías -desde pilas de combustible hasta futuras baterías de hidrógeno- encaja con una visión en la que el hidrógeno actúa como complemento al sistema eléctrico, capaz de almacenar excedentes renovables y suministrarlos después en forma de electricidad, ya sea para grandes redes o para vehículos ligeros.
España y la micromovilidad: sistemas híbridos con pila de hidrógeno
En paralelo al desarrollo de baterías experimentales, en España se trabaja en soluciones que integran baterías de litio y pila de hidrógeno en un mismo sistema para mejorar la autonomía y la flexibilidad de uso. Un ejemplo es el proyecto HELIOS, coordinado por el Centro Tecnológico de la Energía ITE, que se centra en aplicaciones de micromovilidad como drones y patinetes eléctricos.
El objetivo de este trabajo es poner a punto un prototipo de sistema híbrido capaz de decidir en tiempo real qué fuente de energía utilizar -batería, pila de hidrógeno o una combinación de ambas- según las necesidades instantáneas del vehículo y las condiciones de operación. Para ello, el equipo ha desarrollado un modelo de simulación que permite dimensionar con precisión los distintos componentes en la movilidad con hidrógeno renovable.
A partir de ese modelo numérico se están definiendo las ecuaciones que describen el comportamiento de la electrónica de potencia y la forma en que debe gestionar, en cada momento, el aporte energético desde la batería de litio y desde la pila de hidrógeno. Esta capa de control será la encargada de coordinar las dos fuentes de forma que el usuario no perciba transiciones bruscas.
Además del desarrollo del software de control, el ITE trabaja en el diseño de un transformador de potencia optimizado para reducir al máximo dimensiones y peso. En la movilidad ligera, y en particular en los drones, cada gramo añadido tiene un impacto directo en la estabilidad y la autonomía, por lo que la electrónica se está afinando «al milímetro» para cumplir con estas restricciones.
Los resultados preliminares apuntan a que el aumento potencial de autonomía será mayor en patinetes que en drones, debido a las fuertes limitaciones de espacio y masa que imponen estos últimos. Aun así, se esperan mejoras significativas respecto a configuraciones basadas exclusivamente en baterías de litio en ambos casos de uso.
Retos de integración en drones y patinetes eléctricos
El desarrollo del sistema híbrido ha puesto de relieve retos de integración diferenciados en función de la plataforma. En los drones, la principal dificultad está asociada a las estrictas restricciones de peso y a la distribución de la masa, que afectan de forma directa a la capacidad de vuelo y a la estabilidad.
Por este motivo, el diseño de la electrónica de potencia y el dimensionamiento de la batería y la pila de hidrógeno se están realizando de manera conjunta, con el objetivo de conseguir una integración que no comprometa las prestaciones aeronáuticas. No se trata únicamente de «encajar» los componentes, sino de que el conjunto mantenga un comportamiento dinámico adecuado.
En el caso de los patinetes eléctricos, el condicionante principal no es tanto el espacio disponible, sino la dinámica de uso. Las secuencias de aceleración y frenada exigen un sistema de control capaz de responder en milisegundos, eligiendo la fuente de energía más adecuada para garantizar prestaciones suficientes al tiempo que se optimiza la autonomía.
El modelo de control que se está desarrollando pretende que el sistema híbrido funcione como una especie de director de orquesta energético, combinando la entrega de potencia rápida de la batería con el suministro más sostenido de la pila de hidrógeno, de forma que el usuario experimente un funcionamiento fluido.
Esta aproximación encaja con la tendencia general del sector, donde las baterías siguen siendo la solución estándar pero empiezan a explorarse configuraciones híbridas para segmentos con necesidades de autonomía, peso o tiempos de recarga especialmente exigentes.
Validación, financiación y encaje en la estrategia europea
La hoja de ruta del proyecto HELIOS contempla varias fases de validación del prototipo. Una vez finalizado el diseño y la fabricación del sistema, el ITE tiene previsto realizar una campaña de ensayos en laboratorio en un entorno controlado, con el fin de ajustar la electrónica, afinar el modelo de control y optimizar la interacción entre batería y pila de hidrógeno.
En una etapa posterior, el sistema se integrará en un dron y en un patinete eléctrico reales. Con la colaboración de las empresas participantes se llevarán a cabo vuelos y recorridos programados, monitorizando en tiempo real el reparto de energía entre las dos fuentes y comparando la autonomía obtenida frente a configuraciones convencionales basadas solo en baterías de litio.
El proyecto Helios cuenta con el apoyo de IVACE+i y de la Unión Europea a través del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2021-2027. Esta financiación encaja con las prioridades comunitarias, que incluyen el impulso de tecnologías relacionadas con el hidrógeno y el almacenamiento de energía para reducir emisiones y mejorar la competitividad industrial.
En conjunto, iniciativas como HELIOS muestran cómo el hidrógeno empieza a entrar en el ecosistema de la movilidad eléctrica más allá de los grandes camiones, autobuses o trenes, explorando su papel en soluciones de menor escala donde la combinación con baterías ofrece una vía prometedora.
El desarrollo de la batería de hidrógeno en laboratorio y los sistemas híbridos que integran pila de hidrógeno y baterías de litio en España apuntan en una misma dirección: el almacenamiento de energía se encamina hacia un escenario más diverso, en el que distintas químicas y arquitecturas convivirán para cubrir usos muy diferentes. Aunque los prototipos actuales están todavía lejos de un despliegue masivo, el simple hecho de que tecnologías como estas hayan pasado de ser hipótesis sobre el papel a dispositivos capaces de alimentar equipos reales indica que el campo de juego del hidrógeno en Europa y en España seguirá ganando protagonismo en los próximos años.
