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.
Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han diseñado una batería fabricada con materiales económicos y abundantes, que podría proporcionar un almacenamiento de energía de reserva de bajo costo para las fuentes renovables.
Menos costosa que la tecnología de las baterías de iones de litio, la nueva arquitectura utiliza aluminio y azufre como sus dos materiales de electrodos con un electrolito de sal fundida en medio.
La nueva arquitectura de baterías 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 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.
Los ingredientes finales de la batería son fáciles de conseguir
Los tres ingredientes finales 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», afirma 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 costo por celda previsto de 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, y que los 110° C (230° F) mostraban velocidades 25 veces más rápidas que los 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. Realizaron experimentos a velocidades de carga muy altas, cargando en menos de un minuto, y nunca ocurrieron perdidas de células debido a un cortocircuito de las dendritas.
Figura 1. Los tres componentes principales de la batería son el aluminio (izquierda), el azufre (centro) y los cristales de sal gema (derecha). Todos ellos son materiales abundantes en la Tierra que no requieren una cadena de suministro de alcance mundial. Foto cortesía del MIT/Rebecca Miller
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.
Esta nueva fórmula de batería 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 (KWh) de capacidad de almacenamiento.
Para instalaciones más grandes, de decenas a cientos de megavatios-hora (MWh), 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 ese 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 vehículos 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, 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.
En el equipo de investigación participaron 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; el Laboratorio Nacional de Argonne, en Illinois; y el MIT. El trabajo fue apoyado por la Iniciativa de Energía del MIT, el Centro Deshpande de Innovación Tecnológica del MIT y el Grupo ENN.
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