Un nuevo concepto de baterías de bajo coste

La nueva tecnología ya es la base de una nueva empresa derivada

29.08.2022 - Estados Unidos

A medida que el mundo construye instalaciones cada vez más grandes de sistemas de energía eólica y solar, crece la necesidad de contar con sistemas de reserva económicos y a gran escala que proporcionen energía cuando el sol se pone y el aire está en calma. Las baterías de iones de litio actuales siguen siendo demasiado caras para la mayoría de estas aplicaciones, y otras opciones, como la hidroeléctrica de bombeo, requieren una topografía específica que no siempre está disponible.

Rebecca Miller

Los tres componentes principales de la batería son: a la izquierda, aluminio; en el centro, azufre; y a la derecha, cristales de sal gema. Todos ellos son materiales abundantes en la Tierra que no requieren una cadena de suministro global.

Ahora, investigadores del MIT y de otros centros han desarrollado un nuevo tipo de batería, fabricada íntegramente con materiales abundantes y baratos, que podría ayudar a llenar ese vacío.

La nueva arquitectura de la batería, que utiliza aluminio y azufre como sus dos materiales de electrodos, con un electrolito de sal fundida en medio, se describe en la revista Nature, en un artículo del profesor del MIT Donald Sadoway, junto con otras 15 personas del MIT y de China, Canadá, Kentucky y Tennessee.

"Quería inventar algo mejor, mucho mejor, que las baterías de iones de litio para el almacenamiento estacionario a pequeña escala y, en última instancia, para la automoción", explica Sadoway, profesor emérito de química de materiales John F. Elliott.

Además de ser caras, las baterías de iones de litio contienen un electrolito inflamable, por lo que no son ideales para el transporte. Así que Sadoway empezó a estudiar la tabla periódica, buscando metales baratos y abundantes en la Tierra que pudieran sustituir al litio. El metal comercialmente dominante, el hierro, no tiene las propiedades electroquímicas adecuadas para una batería eficiente, dice. Pero el segundo metal más abundante en el mercado -y de hecho el más abundante en la Tierra- es el aluminio. "Así que me dije, bueno, hagamos de eso un complemento. Va a ser de aluminio", dice.

Luego hubo que decidir con qué emparejar el aluminio para el otro electrodo, y qué tipo de electrolito poner en medio para transportar los iones de un lado a otro durante la carga y la descarga. El más barato de todos los no metales es el azufre, así que se convirtió en el segundo material del electrodo. En cuanto al electrolito, "no íbamos a utilizar los líquidos orgánicos volátiles e inflamables" que a veces han provocado peligrosos incendios en coches y otras aplicaciones de las baterías de iones de litio, dice Sadoway. Probaron con algunos polímeros, pero acabaron buscando una variedad de sales fundidas que tienen puntos de fusión relativamente bajos: cerca del punto de ebullición del agua, frente a los casi 1.000 grados Fahrenheit de muchas sales. "Una vez que se llega a una temperatura cercana a la del cuerpo, resulta práctico" fabricar baterías que no requieran medidas especiales de aislamiento y anticorrosión, afirma.

Los tres ingredientes con los que acabaron son baratos y fáciles de conseguir: el aluminio, que no difiere del papel de aluminio del supermercado; el azufre, que suele ser un producto de desecho de procesos como el refinado del petróleo; y las sales, ampliamente disponibles. "Los ingredientes son baratos y la cosa es segura: no puede arder", dice Sadoway.

En sus experimentos, el equipo demostró que las celdas de la batería podían soportar cientos de ciclos a velocidades de carga excepcionalmente altas, con un coste por celda previsto de aproximadamente una sexta parte del de las celdas de iones de litio comparables. Demostraron que la velocidad de carga dependía en gran medida de la temperatura de trabajo, con 110 grados Celsius (230 grados Fahrenheit) mostrando velocidades 25 veces más rápidas que a 25 C (77 F).

Sorprendentemente, la sal fundida que el equipo eligió como electrolito simplemente por su bajo punto de fusión resultó tener una ventaja fortuita. Uno de los mayores problemas de fiabilidad de las baterías es la formación de dendritas, que son picos estrechos de metal que se acumulan en un electrodo y acaban creciendo hasta entrar en contacto con el otro, provocando un cortocircuito y dificultando la eficiencia. Pero esta sal en particular, resulta ser muy buena para evitar ese mal funcionamiento.

La sal de cloro-aluminato que eligieron "esencialmente retiró estas dendritas desbocadas, al tiempo que permitía una carga muy rápida", dice Sadoway. "Hicimos experimentos a velocidades de carga muy altas, cargando en menos de un minuto, y nunca perdimos células debido a un cortocircuito de las dendritas".

"Es curioso", dice, porque todo el objetivo era encontrar una sal con el punto de fusión más bajo, pero los cloroaluminatos catenados con los que acabaron resultaron ser resistentes al problema del cortocircuito. "Si hubiéramos empezado tratando de evitar el cortocircuito dendrítico, no estoy seguro de que hubiera sabido cómo continuar", dice Sadoway. "Supongo que fue una serendipia para nosotros".

Además, la batería no necesita ninguna fuente de calor externa para mantener su temperatura de funcionamiento. El calor se produce naturalmente de forma electroquímica por la carga y descarga de la batería. "Cuando se carga, se genera calor, y eso evita que la sal se congele. Y luego, cuando se descarga, también se genera calor", dice Sadoway. En una instalación típica utilizada para nivelar la carga en una instalación de generación solar, por ejemplo, "se almacena la electricidad cuando brilla el sol, y luego se extrae la electricidad al anochecer, y se hace esto todos los días. Y esa carga-espera-descarga-espera es suficiente para generar el calor necesario para mantener la temperatura".

Esta nueva fórmula de batería, dice, sería ideal para instalaciones del tamaño necesario para alimentar una sola casa o una pequeña o mediana empresa, produciendo del orden de unas pocas decenas de kilovatios-hora de capacidad de almacenamiento.

Para instalaciones más grandes, de decenas a cientos de megavatios-hora, otras tecnologías podrían ser más eficaces, como las baterías de metal líquido que Sadoway y sus estudiantes desarrollaron hace varios años y que constituyeron la base de una empresa derivada llamada Ambri, que espera entregar sus primeros productos durante el próximo año. Por este invento, Sadoway recibió recientemente el Premio al Inventor Europeo de este año.

La menor escala de las baterías de aluminio-azufre también las haría prácticas para usos como las estaciones de carga de vehículos eléctricos, dice Sadoway. Señala que cuando los vehículos eléctricos sean lo suficientemente comunes en las carreteras como para que varios coches quieran cargarse a la vez, como ocurre hoy en día con los surtidores de gasolina, "si se intenta hacer eso con baterías y se quiere una carga rápida, los amperajes son tan altos que no tenemos esa cantidad de amperaje en la línea que alimenta la instalación". Por eso, disponer de un sistema de baterías como éste para almacenar energía y liberarla rápidamente cuando se necesite podría eliminar la necesidad de instalar nuevas y costosas líneas eléctricas para dar servicio a estos cargadores.

La nueva tecnología ya es la base de una nueva empresa derivada llamada Avanti, que ha obtenido la licencia de las patentes del sistema, cofundada por Sadoway y Luis Ortiz '96 ScD '00, que también fue cofundador de Ambri. "El primer objetivo de la empresa es demostrar que funciona a gran escala", dice Sadoway, y luego someterlo a una serie de pruebas de estrés, incluyendo la ejecución de cientos de ciclos de carga.

¿Una batería basada en azufre corre el riesgo de producir los malos olores asociados a algunas formas de azufre? Ni hablar, dice Sadoway. "El olor a huevo podrido está en el gas, el sulfuro de hidrógeno. Es azufre elemental, y va a estar encerrado dentro de las celdas". Si se intentara abrir una célula de iones de litio en la cocina, dice (¡y por favor, no lo intente en casa!), "la humedad del aire reaccionaría y se empezarían a generar también todo tipo de gases asquerosos". Son preguntas legítimas, pero la batería está sellada, no es un recipiente abierto. Así que no me preocuparía por eso".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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