Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology), China, Canadá, Kentucky y Tennessee han desarrollado un nuevo tipo de batería que utiliza aluminio y azufre como sus dos materiales de electrodo, con un electrolito de sal fundida en el medio. Este hallazgo viene a sustituir la baterías de iones de litio para el almacenamiento estacionario a pequeña escala y, en última instancia, para usos automotrices.
Además de ser costosas, las baterías de iones de litio contienen un electrolito inflamable, lo que las hace menos adecuadas para el transporte. El profesor del MIT, Donald Sadoway, junto con otros 15 investigadores, comenzaron a estudiar la tabla periódica, en busca de 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. Pero el segundo metal más abundante en el mercado, y de hecho el metal más abundante en la Tierra, es el aluminio.
Ingredientes económicos y disponibles
Luego vino la decisión de con qué emparejar el aluminio para el otro electrodo y qué tipo de electrolito poner en el medio para transportar iones de un lado a otro durante la carga y la descarga. El más barato de todos los no metales es el azufre, por lo que se convirtió en el segundo material del electrodo.
En cuanto al electrolito, para evitar el uso de líquidos orgánicos inflamables y volátiles, que a veces han provocado incendios peligrosos en automóviles y otras aplicaciones de las baterías de iones de litio, probaron algunos polímeros, pero terminaron buscando una variedad de sales fundidas que tienen puntos de fusión relativamente bajos, cerca del punto de ebullición del agua, a diferencia de los casi 1.000 grados Fahrenheit de muchas sales. «Una vez que se llega a la temperatura cercana al cuerpo, se vuelve práctico fabricar baterías que no requieran medidas especiales de aislamiento y anticorrosión», matiza el profesor Sadoway.
Los tres ingredientes con los que terminaron son baratos y fácilmente disponibles: aluminio, no diferente del papel de aluminio en el supermercado; azufre, que a menudo es un producto de desecho de procesos como la refinación de petróleo; y sales ampliamente disponibles.
Baterías resistentes
En sus experimentos, el equipo demostró que las celdas de la batería podían soportar cientos de ciclos a tasas de carga excepcionalmente altas, con un coste proyectado por celda de aproximadamente una sexta parte de las celdas de iones de litio comparables. Demostraron que la tasa de carga dependía en gran medida de la temperatura de trabajo, con 110 ºC (230 ºF) mostrando tasas 25 veces más rápidas que 25 ºC (77 ºF).
Sorprendentemente, la sal fundida que el equipo eligió como electrolito por su bajo punto de fusión resultó tener una ventaja fortuita. Uno de los mayores problemas en la confiabilidad de la batería es la formación de dendritas, que son puntas estrechas de metal que se acumulan en un electrodo y y pueden causar cortocircuitos y obstaculizar la eficiencia. Según los investigadores, la sal fundida contribuye a prevenir ese mal funcionamiento.
La sal de cloroaluminato que eligieron esencialmente retiró estas dendritas desbocadas, al tiempo que permitió una carga muy rápida. Se hicieron experimentos a tasas de carga muy altas, cargando en menos de un minuto, y nunca se perdieron células debido al cortocircuito de las dendritas, según explica Sadoway. Todo el enfoque estaba en encontrar una sal con el punto de fusión más bajo, pero los cloroaluminatos catenados con los que terminaron resultaron ser resistentes al problema del cortocircuito.
Aplicaciones
Además, la batería no requiere una fuente de calor externa para mantener su temperatura de funcionamiento. El calor se produce electroquímicamente de forma natural mediante la carga y descarga de la batería. «Mientras cargas, generas calor, y eso evita que la sal se congele. Y luego, cuando descargas, también se genera calor», dice Sadoway.
En una instalación típica utilizada para nivelar la carga en una instalación de generación solar, por ejemplo, la electricidad se almacena cuando brilla el sol y se extrae después del anochecer un día tras otro. Y esa carga-inactividad-descarga-inactividad es suficiente para generar el calor necesario para mantener la temperatura.
Esta nueva formulación de batería sería ideal para instalaciones en viviendas o pequeñas y medianas empresa, produciendo del orden de unas pocas decenas de kilovatios hora de capacidad de almacenamiento.
Para instalaciones más grandes, hasta una escala de utilidad de decenas a cientos de megavatios hora, podrían ser más efectivas otras tecnologías, incluidas las baterías de metal líquido que Sadoway y sus estudiantes desarrollaron hace varios años y que formaron la base de una empresa derivada llamada Ambri, que espera entregar sus primeros productos dentro del próximo año. Por ese invento, Sadoway recibió recientemente el Premio al Inventor Europeo de este año.
A escala más pequeña, estas baterías de aluminio y azufre serían prácticas para estaciones de carga de vehículos eléctricos. Como explican los investigadores, tener un sistema de batería como este para almacenar energía y luego liberarla rápidamente cuando sea necesario podría eliminar la necesidad de instalar nuevas y costosas líneas de energía para estos cargadores.
Sistema patentado
La nueva tecnología ya es la base de una nueva empresa derivada llamada Avanti, que ha licenciado las patentes del sistema, cofundada por Sadoway y Luis Ortiz ’96 ScD ’00, quien también fue cofundador de Ambri. El primer objetivo de la empresa es demostrar que el sistema funciona a escala y luego someterla a una serie de pruebas de estrés, incluida la ejecución de cientos de ciclos de carga. Además, la batería a base de azufre está sellada, por lo que no hay riesgo de liberación de gases.
El equipo de investigación incluyó a miembros de la Universidad de Pekín, la Universidad de Yunnan y la Universidad Tecnológica de Wuhan, en China; la Universidad de Louisville, en Kentucky; la Universidad de Waterloo, en Canadá; Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Tennessee; y MIT. El trabajo fue apoyado por la Iniciativa de Energía del MIT, el Centro Deshpande para la Innovación Tecnológica del MIT y el Grupo ENN.