Compañías energéticas globales como Tesla y Sonnen se apoderan de los titulares por instalar enormes baterías de iones de litio a escala de red eléctrica en lugares como Australia, Puerto Rico y los Estados Unidos. Por lo tanto, sería fácil asumir que el ion de litio es la única opción para el soporte de batería de las utilidades de energía. Mientras que las baterías de iones de litio representan el 59% del almacenamiento electroquímico en red, existen otras tecnologías de baterías. Uno de ellos es el azufre sódico (NAS).
Las baterías NaS pertenecen a una categoría llamada baterías de alta temperatura. Se llaman así porque se requieren temperaturas elevadas para mantener los materiales del ánodo y el cátodo en un estado fundido para que la batería funcione. En funcionamiento, la reacción química que tiene lugar crea suficiente calor para mantener el estado fundido. Es solo durante el arranque o cuando la batería está inactiva que debe producirse el calentamiento externo.
El uso de sodio fundido como ánodo (electrodo negativo) y azufre fundido como cátodo (electrodo positivo) fue desarrollado por primera vez por Ford Motor Company en la década de 1960. La temperatura de funcionamiento de 300-350°C, necesaria para mantener el sodio y el azufre en estado fundido, junto con los peligros del metal sódico altamente reactivo, planteaban peligros para el uso de la batería NaS en vehículos eléctricos (EV) en carreteras. Finalmente, Ford abandonó la idea de los vehículos eléctricos.
NGK ha desarrollado una capacidad significativa de baterías de azufre sódico (NAS) a escala de red en todo el mundo. (Fuente de la imagen: NGK)
El especialista en cerámica NGK Insulators, en Japón, comenzó a trabajar con el concepto NaS en 1989. NGK añadió una fina membrana electrolítica cerámica de Beta-alúmina entre los materiales fundidos. Durante la descarga, la membrana cerámica solo permite el paso de iones de sodio cargados positivamente, desde el sodio fundido negativo hasta el azufre fundido positivo. Durante la carga, el proceso se invierte. En colaboración con la Tokyo Electric Power Company (TEPCO), NGK entró en producción con su batería estacionaria NaS comercial para el soporte de la red de energía renovable en 2002.
NGK encontró aplicaciones adicionales en Japón para su batería NaS, incluida la nivelación de carga en parques eólicos y otros servicios de red. La tecnología se extendió a otras partes del mundo. Hasta la fecha, se han instalado más de 300 MW de almacenamiento NaS en 170 países. Esto representa aproximadamente el 3% del almacenamiento total de la red electroquímica.
Según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) en su informe de Almacenamiento de Electricidad y Energías Renovables de octubre de 2017, la densidad de energía de una batería NaS está entre 140 y 300 vatios-hora/litro (Wh/L). Esto es algo menos que los 500 Wh/L de una batería de iones de litio de generación actual. Lo que el NaS ofrece es una vida útil mucho más larga—más de 5000 ciclos de carga y descarga. Esto es casi el doble de lo que es posible con una batería de iones de litio. El NaS también ofrece costos ligeramente más bajos (en gran parte debido a que está hecho de materiales baratos y abundantes) en comparación con las baterías de iones de litio.
Reemplazar la membrana cerámica
Uno de los factores limitantes para la aceptación de baterías de alta temperatura ha sido la naturaleza frágil de la membrana cerámica entre los componentes del ánodo fundido y el cátodo. La membrana delgada de papel se daña fácilmente cuando la batería está en funcionamiento. Ahora, un grupo de investigación del MIT ha publicado un artículo en Nature que detalla el uso de una malla metálica para reemplazar la membrana cerámica en baterías de alta temperatura.
El enfoque adoptado por el equipo del MIT fue reemplazar la función de la membrana cerámica frágil por una malla metálica más robusta y flexible, especialmente recubierta. Después de experimentar con una variedad de materiales, los mejores resultados se obtuvieron utilizando una malla de acero recubierta con una solución de nitruro de titanio. Resultó en una batería viable y de menor costo.
El equipo también encontró algo inesperado. Citando un Comunicado de prensa del MIT, «La membrana había desempeñado su función, permitiendo selectivamente que ciertas moléculas pasaran mientras bloqueaban otras—de una manera completamente diferente, utilizando sus propiedades eléctricas en lugar de la clasificación mecánica típica basada en el tamaño de los poros en el material (cerámico).»
«Considero que esto es un gran avance», dijo el profesor del MIT Donald Sadoway, en el Comunicado de prensa del MIT. «El hecho de que se pueda construir un tipo de batería de sodio y azufre, o un tipo de batería de sodio/cloruro de níquel, sin recurrir al uso de cerámica frágil y quebradiza, lo cambia todo», dijo.
Las baterías de iones de litio seguirán siendo la mejor opción para la electrónica personal y para alimentar vehículos eléctricos en el futuro previsible. Sin embargo, el potencial de las baterías de alta temperatura, especialmente las que usan sodio fundido y azufre, podría ayudar a reducir el costo y mejorar la confiabilidad de las redes de energía que dependen de fuentes de energía renovables.
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El editor senior Kevin Clemens ha estado escribiendo sobre temas de energía, automoción y transporte durante más de 30 años. Tiene maestrías en Ingeniería de Materiales y Educación Ambiental y un doctorado en Ingeniería Mecánica, especializado en aerodinámica. Ha establecido varios récords mundiales de velocidad en tierra en motocicletas eléctricas que construyó en su taller.
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