Los investigadores de Sandia National Laboratories han diseñado una nueva clase de baterías de sodio fundido para el almacenamiento de energía a escala de red. Las baterías de sodio fundido se han utilizado durante muchos años para almacenar energía de fuentes renovables, como paneles solares y turbinas eólicas. Sin embargo, las baterías de sodio fundido disponibles comercialmente, llamadas baterías de sodio-azufre, generalmente operan a 520-660 grados Fahrenheit. La nueva batería de yoduro de sodio fundido de Sandia funciona a una temperatura mucho más fría de 230 grados Fahrenheit.
"Hemos estado trabajando para reducir la temperatura de funcionamiento de las baterías de sodio fundido lo más bajo posible físicamente", dijo Leo Small, el investigador principal del proyecto. “Hay un gran ahorro de costos en cascada que viene junto con la reducción de la temperatura de la batería. Puede utilizar materiales menos costosos. Las baterías necesitan menos aislamiento y el cableado que conecta todas las baterías puede ser mucho más delgado ".
Sin embargo, la química de la batería que funciona a 550 grados no funciona a 230 grados, agregó. Entre las principales innovaciones que permitieron esta temperatura de funcionamiento más baja se encontraba el desarrollo de lo que él llama un catolito. Un catolito es una mezcla líquida de dos sales, en este caso, yoduro de sodio y cloruro de galio.
Conceptos básicos para construir mejores baterías
Una batería básica de plomo-ácido, comúnmente utilizada como batería de encendido de un automóvil, tiene una placa de plomo y una placa de dióxido de plomo con un electrolito de ácido sulfúrico en el medio. A medida que se descarga energía de la batería, la placa de plomo reacciona con el ácido sulfúrico para formar electrones y sulfato de plomo. Estos electrones encienden el automóvil y regresan al otro lado de la batería, donde la placa de dióxido de plomo usa los electrones y el ácido sulfúrico para formar sulfato de plomo y agua. Para la nueva batería de sodio fundido, la placa de plomo se reemplaza por sodio metálico líquido y la placa de dióxido de plomo se reemplaza por una mezcla líquida de yoduro de sodio y una pequeña cantidad de cloruro de galio, dijo Erik Spoerke, un científico de materiales que ha estado trabajando en baterías de sodio fundido durante más de una década.
Cuando se descarga energía de la nueva batería, el sodio metálico produce iones y electrones de sodio. Por otro lado, los electrones convierten el yodo en iones de yoduro. Los iones de sodio se mueven a través de un separador hacia el otro lado donde reaccionan con los iones de yoduro para formar la sal de yoduro de sodio fundida. En lugar de un electrolito de ácido sulfúrico, el centro de la batería es un separador cerámico especial que permite que solo los iones de sodio se muevan de un lado a otro, nada más.
"En nuestro sistema, a diferencia de una batería de iones de litio, todo es líquido en los dos lados", dijo Spoerke. “Eso significa que no tenemos que lidiar con problemas como el material que experimenta cambios de fase complejos o se deshace; es todo líquido. Básicamente, estas baterías de base líquida no tienen una vida útil tan limitada como muchas otras baterías ".
De hecho, las baterías comerciales de sodio fundido tienen una vida útil de 10 a 15 años, significativamente más larga que las baterías estándar de plomo-ácido o las baterías de iones de litio.
Baterías de larga duración que son más seguras
La pequeña batería de yoduro de sodio a escala de laboratorio de Sandia fue probada durante ocho meses dentro de un horno. Martha Gross, una investigadora postdoctoral que ha trabajado en las pruebas de laboratorio durante los últimos dos años, realizó experimentos cargando y descargando la batería más de 400 veces durante esos ocho meses.
Debido a la pandemia de COVID-19, tuvieron que pausar el experimento durante un mes y dejar que el sodio fundido y el catolito se enfriaran a temperatura ambiente y se congelaran, dijo. Gross se alegró de que después de calentar la batería, aún funcionara.
Esto significa que si ocurriera una interrupción energética a gran escala, como la que ocurrió en Texas en febrero, las baterías de yoduro de sodio podrían usarse y luego dejarse enfriar hasta que se congelen. Una vez que la interrupción terminó, se podrían calentar, recargar y volver a la operación normal sin un proceso de puesta en marcha largo o costoso, y sin degradación de la química interna de la batería, agregó Spoerke.
Las baterías de yoduro de sodio también son más seguras. Spoerke dijo: “Una batería de iones de litio se incendia cuando hay una falla dentro de la batería, lo que lleva a un sobrecalentamiento descontrolado de la batería. Hemos demostrado que eso no puede suceder con la química de nuestra batería. Nuestra batería, si retirara el separador de cerámica y permitiera que el metal de sodio se mezcle con las sales, no pasa nada. Ciertamente, la batería deja de funcionar, pero no se produce una reacción química violenta ni un incendio ".
Si un incendio externo envuelve una batería de yoduro de sodio, es probable que la batería se agriete y falle, pero no debería agregar combustible al fuego ni causar un incendio de sodio, agregó Small.
Además, a 3.6 voltios, la nueva batería de yoduro de sodio tiene un 40% más de funcionamiento. voltaje que una batería comercial de sodio fundido. Este voltaje conduce a una mayor densidad de energía, y eso significa que las baterías futuras potenciales fabricadas con esta química necesitarían menos celdas, menos conexiones entre las celdas y un costo unitario general más bajo para almacenar la misma cantidad de electricidad, dijo Small.
“Estábamos realmente entusiasmados con la cantidad de energía que podríamos meter en el sistema debido al nuevo catolito que informamos en este documento”, agregó Gross. “Las baterías de sodio fundido existen desde hace décadas y están en todo el mundo, pero nadie habla de ellas. Entonces, poder bajar la temperatura y volver con algunos números y decir, 'este es un sistema realmente, realmente viable' es bastante bueno ".
El futuro de las baterías de yoduro de sodio
El siguiente paso para el proyecto de la batería de yoduro de sodio es continuar afinando y refinando la química del catolito para reemplazar el componente de cloruro de galio, dijo Small. El cloruro de galio es muy caro, más de 100 veces más caro que la sal de mesa.
El equipo también está trabajando en varios ajustes de ingeniería para que la batería se cargue y descargue más rápido y más completamente, agregó Spoerke. Una modificación previamente identificada para acelerar la carga de la batería fue recubrir el lado de sodio fundido del separador de cerámica con una fina capa de estaño.
Spoerke agregó que probablemente se necesitarían de cinco a 10 años para llevar las baterías de yoduro de sodio al mercado, y que la mayoría de los desafíos restantes son desafíos de comercialización, en lugar de desafíos técnicos.
"Esta es la primera demostración de ciclo estable a largo plazo de una batería de sodio fundido a baja temperatura", dijo Spoerke. “La magia de lo que hemos reunido es que hemos identificado la química de la sal y la electroquímica que nos permiten operar de manera efectiva a 230 grados Fahrenheit. Esta configuración de yoduro de sodio a baja temperatura es una especie de reinvención de lo que significa tener una batería de sodio fundido ".
El desarrollo de la nueva batería de sodio contó con el apoyo de la Oficina de Electricidad Programa de almacenamiento de energía.