A medida que el mundo avanza gradualmente hacia las fuentes de energía renovable, crece la necesidad de sistemas de respaldo viables.
Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de batería, fabricada con materiales abundantes y económicos, que podría cubrir esa necesidad.
Utiliza aluminio, azufre y cristales de sal gema, y podría suministrar energía a una vivienda o a una pequeña empresa.
A medida que el mundo construye instalaciones de energía eólica y solar cada vez más grandes, crece rápidamente la necesidad de sistemas de respaldo económicos y a gran escala que suministren energía cuando no hay sol y el viento está en calma. Hoy en día, las baterías de iones de litio siguen siendo demasiado caras para la mayoría de estas aplicaciones, y otras opciones, como la energía hidroeléctrica de bombeo, requieren una topografía específica que no siempre está disponible.
Ahora, investigadores del MIT y de otras instituciones han desarrollado un nuevo tipo de batería, fabricada íntegramente con materiales abundantes y económicos, que podría ayudar a cubrir esa necesidad.
La nueva arquitectura de batería, que utiliza aluminio y azufre como materiales de sus dos electrodos, con un electrolito de sal fundida entre ellos, se describe hoy 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 usos automovilísticos [sic]», explica Sadoway, profesor emérito John F. Elliott de Química de Materiales.
Además de ser caras, las baterías de iones de litio contienen un electrolito inflamable, lo que las hace poco adecuadas para el transporte. Por eso, Sadoway empezó a estudiar la tabla periódica en busca de metales baratos y abundantes en la Tierra que pudieran sustituir al litio. El hierro, el metal predominante en el mercado, no tiene las propiedades electroquímicas adecuadas para una batería eficiente, afirma. Pero el segundo metal más abundante en el mercado —y, de hecho, el más abundante de la Tierra— es el aluminio. «Así que dije: bueno, pongámoslo como uno de los extremos. Será aluminio», cuenta.
Después había que decidir con qué combinar el aluminio para el otro electrodo y qué tipo de electrolito colocar entre ambos para transportar iones en uno y otro sentido durante la carga y la descarga. El azufre es el más barato de todos los no metales, así que se convirtió en el material del segundo electrodo. En cuanto al electrolito, «no íbamos a usar líquidos orgánicos volátiles e inflamables», que en ocasiones han provocado incendios peligrosos en automóviles y otras aplicaciones de las baterías de iones de litio, afirma Sadoway. Probaron algunos polímeros, pero acabaron examinando varias sales fundidas con puntos de fusión relativamente bajos, cercanos al punto de ebullición del agua, frente a los casi 1.000 grados Fahrenheit de muchas sales. «Cuando se llega a una temperatura cercana a la corporal, resulta práctico» fabricar baterías que no requieran medidas especiales de aislamiento y anticorrosión, explica.
Los tres ingredientes que eligieron son baratos y fáciles de conseguir: aluminio, igual que el del papel de aluminio del supermercado; azufre, que suele ser un producto residual de procesos como el refinado del petróleo; y sales ampliamente disponibles. «Los ingredientes son baratos y el dispositivo es seguro: no puede arder», afirma Sadoway.
En sus experimentos, el equipo demostró que las celdas de la batería podían soportar cientos de ciclos con tasas de carga excepcionalmente altas, y que el coste previsto por celda sería de aproximadamente una sexta parte del de celdas de iones de litio comparables. También demostró que la tasa de carga dependía mucho de la temperatura de funcionamiento: a 110 grados Celsius (230 grados Fahrenheit), las tasas eran 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 afortunada. Uno de los mayores problemas de fiabilidad de las baterías es la formación de dendritas, finas protuberancias metálicas que se acumulan en un electrodo y terminan creciendo hasta entrar en contacto con el otro, provocando un cortocircuito y reduciendo la eficiencia. Resulta que esta sal en particular es muy eficaz para prevenir ese fallo.
La sal de cloroaluminato que eligieron «prácticamente eliminó esas dendritas descontroladas y, al mismo tiempo, permitió una carga muy rápida», afirma Sadoway. «Hicimos experimentos con tasas de carga muy altas, cargando en menos de un minuto, y nunca perdimos ninguna celda por cortocircuitos causados por dendritas».
«Es curioso», dice, porque el objetivo principal era encontrar una sal con el punto de fusión más bajo, pero los cloroaluminatos en cadena que obtuvieron resultaron ser resistentes a los cortocircuitos. «Si hubiéramos empezado intentando prevenir los cortocircuitos dendríticos, no estoy seguro de haber sabido cómo abordar el problema», afirma Sadoway. «Supongo que fue una feliz casualidad para nosotros».
Además, la batería no requiere una fuente de calor externa para mantener su temperatura de funcionamiento. El calor se produce de forma natural mediante las reacciones electroquímicas durante la carga y la descarga. «Al cargar, se genera calor, y eso impide que la sal se congele. Y luego, al descargar, también se genera calor», afirma Sadoway. Por ejemplo, en una instalación típica para nivelar la carga en una planta de generación solar, «se almacenaría electricidad cuando brilla el sol y se extraería después del anochecer, y esto se haría todos los días. Esa secuencia de carga, reposo, descarga y reposo genera suficiente calor para mantener el sistema a la temperatura adecuada».
Esta nueva formulación de batería, afirma, sería ideal para instalaciones del tamaño necesario para suministrar energía a una vivienda o a una pequeña o mediana empresa, con una capacidad de almacenamiento del orden de unas pocas decenas de kilovatios hora.
Para instalaciones más grandes, de escala de servicios públicos y con capacidades de decenas a cientos de megavatios hora, otras tecnologías podrían ser más eficaces, incluidas las baterías de metal líquido que Sadoway y sus estudiantes desarrollaron hace varios años y que sirvieron de base para una empresa derivada llamada Ambri, que espera entregar sus primeros productos durante el próximo año. Por ese invento, Sadoway recibió recientemente el premio European Inventor Award de este año.
La menor escala de las baterías de aluminio y azufre también las haría prácticas para usos como las estaciones de carga de vehículos eléctricos, afirma Sadoway. Señala que, cuando haya tantos vehículos eléctricos en las carreteras que varios automóviles quieran cargarse a la vez, como ocurre hoy con los surtidores de gasolina, «si intentas hacerlo con baterías y quieres una carga rápida, las intensidades de corriente son tan altas que la línea que alimenta la instalación no tiene suficiente capacidad». Por eso, contar con un sistema de baterías como este para almacenar energía y liberarla rápidamente cuando sea necesario podría eliminar la necesidad de instalar nuevas líneas eléctricas costosas para abastecer esos cargadores.
La nueva tecnología ya es la base de una empresa derivada llamada Avanti, que ha obtenido la licencia de las patentes del sistema y fue cofundada por Sadoway y Luis Ortiz ’96 ScD ’00, también cofundador de Ambri. «La primera tarea de la empresa es demostrar que funciona a escala», afirma Sadoway, y luego someterla a una serie de pruebas de resistencia, que incluirán cientos de ciclos de carga.
¿Existe el riesgo de que una batería basada en azufre produzca los malos olores asociados a algunas formas de azufre? De ninguna manera, afirma Sadoway. «El olor a huevo podrido proviene del gas sulfuro de hidrógeno. Esto es azufre elemental y estará encerrado dentro de las celdas». Si intentaras abrir una celda de iones de litio en tu cocina, dice (¡y, por favor, no lo intentes en casa!), «la humedad del aire reaccionaría y empezarías a generar todo tipo de gases desagradables también. Son preguntas legítimas, pero la batería está sellada; no es un recipiente abierto. Así que no me preocuparía por eso».
El equipo de investigación incluyó a miembros de la Universidad de Pekín, la Universidad de Yunnan y la Universidad de Tecnología de Wuhan, en China; la Universidad de Louisville, en Kentucky; la Universidad de Waterloo, en Canadá; el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Tennessee; y el MIT. El trabajo contó con el apoyo de la Iniciativa de Energía del MIT, el Centro Deshpande para la Innovación Tecnológica del MIT y ENN Group.
