¿Adiós a las caras baterías de litio? Aluminio, azufre y sal, el nuevo 'mix' que revolucionará el almacenamiento

A medida que el mundo construye instalaciones cada vez más grandes de sistemas de energía eólica y solar, crece rápidamente la necesidad de sistemas de respaldo económicos a gran escala para proporcionar 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 bombeada, requieren una topografía específica que no siempre está disponible.

Ahora, investigadores del MIT y de otros lugares han desarrollado un nuevo tipo de batería, fabricada completamente con materiales abundantes y económicos, que podría ayudar a llenar ese vacío.

La nueva arquitectura de la batería, que utiliza aluminio y azufre como sus dos materiales de electrodos, con un electrolito de sal fundida en el medio, se describe en la revista Nature , en un artículo del profesor del MIT Donald Sadoway, junto con otros 15 del MIT y de China, Canadá, Kentucky y Tennessee.

“Quería inventar algo que fuera mejor, mucho mejor que las baterías de iones de litio para el almacenamiento estacionario a pequeña escala y, en última instancia, para [usos] automotrices”, explica Sadoway, profesor emérito de química de materiales John F. Elliott.

Además de ser costosas, las baterías de iones de litio contienen un electrolito inflamable, lo que las hace menos ideales para el transporte. Entonces, Sadoway comenzó 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, dice. Pero el segundo metal más abundante en el mercado, y de hecho el metal más abundante en la Tierra, es el aluminio. “Entonces, dije, bueno, hagamos de eso un sujetalibros. Será de aluminio”, dice.

Más segura

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, “no íbamos a usar los líquidos orgánicos inflamables y volátiles” que a veces han provocado incendios peligrosos en automóviles y otras aplicaciones de las baterías de iones de litio, dice Sadoway. 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 1000 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, dice.

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. “Los ingredientes son baratos y la cosa es segura, no se puede quemar”, dice Sadoway.

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 costo proyectado por celda de aproximadamente una sexta parte del 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 grados Celsius (230 grados Fahrenheit) mostrando tasas 25 veces más rápidas que 25 C (77 F).

Mucho más fiable

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 en la confiabilidad de la batería es la formación de dendritas, que son puntas estrechas de metal que se acumulan en un electrodo y eventualmente crecen para hacer contacto con el otro electrodo, causando un cortocircuito y obstaculizando la eficiencia. Pero resulta que esta sal en particular es muy buena para prevenir ese mal funcionamiento.

La sal de cloroaluminato que eligieron “esencialmente retiró estas dendritas desbocadas, al tiempo que permitió una carga muy rápida”, dice Sadoway. "Hicimos experimentos a tasas de carga muy altas, cargando en menos de un minuto, y nunca perdimos celdas debido al cortocircuito de las dendritas".

“Es divertido”, dice, porque 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. “Si hubiéramos comenzado tratando de prevenir el cortocircuito dendrítico, no estoy seguro de haber sabido cómo lograrlo”, dice Sadoway. “Supongo que fue una casualidad para nosotros”.

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 genera calor”, dice Sadoway. En una instalación típica utilizada para nivelar la carga en una instalación de generación solar, por ejemplo, “usted almacenaría electricidad cuando brilla el sol, y luego extraería electricidad después del anochecer, y haría esto todos los días. Y esa carga-inactividad-descarga-inactividad es suficiente para generar suficiente calor para mantener la temperatura”.

Ideal para los hogares

Esta nueva formulación de batería, dice, sería ideal para instalaciones de aproximadamente el tamaño necesario para alimentar una sola casa o una pequeña o mediana 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, otras tecnologías podrían ser más efectivas, 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 para entregar sus primeros productos dentro del próximo año. Por ese invento, Sadoway recibió recientemente el Premio al Inventor Europeo de este año.

La escala más pequeña de las baterías de aluminio y azufre también las haría prácticas para usos como estaciones de carga de vehículos eléctricos, dice Sadoway. Señala que cuando los vehículos eléctricos se vuelven tan comunes en las carreteras que varios autos quieren cargarse a la vez, como sucede hoy en día con las bombas de combustible de gasolina, “si intentas hacer eso con baterías y quieres una carga rápida, los amperajes son solo tan alto que no tenemos esa cantidad de amperaje en la línea que alimenta la instalación”. Por lo tanto, 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 eléctricas para estos cargadores.

Avanti

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. “La primera orden del día para la empresa es demostrar que funciona a escala”, dice Sadoway, y luego someterla a una serie de pruebas de estrés, incluida la ejecución de cientos de ciclos de carga.

¿Una batería a base de azufre correría el riesgo de producir los malos olores asociados con algunas formas de azufre? No es una posibilidad, dice Sadoway. “El olor a huevo podrido está en el gas, sulfuro de hidrógeno. Esto es azufre elemental, y estará encerrado dentro de las células”. Si intentara abrir una celda de iones de litio en su cocina, dice (¡y por favor no intente esto en casa!), "la humedad en el aire reaccionaría y comenzaría a generar todo tipo de suciedad". gases también. Estas 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 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.