Híbridos y Eléctricos

INVESTIGACIÓN DEL PNNL

Baterías de sodio con más vida útil e inmunes a la temperatura gracias a un nuevo electrolito

Científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han creado un electrolito basado en un nuevo tipo de sal que aumenta los ciclos de vida de las baterías de sodio y que les permite trabajar a altos voltajes al hacerlas inmunes a la temperatura.

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Un equipo de científicos del PNNL ha cambiado la solución líquida y el tipo de sal que fluye a través de las baterías de iones de sodio para crear una nueva receta química para el electrolito que eleva el ciclo de vida y las hace impermeables a los cambios de temperatura.

Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) perteneciente al Departamento de Energía de Estados Unidos, ha desarrollado una batería de iones de sodio con un ciclo de vida elevado, superando el que es el mayor hándicap de esta tecnología para sustituir a las baterías de litio. Los trabajos se centraron en cambiar el tipo de sal que fluye a través del electrolito de manera que se logró evitar la ralentización de las reacciones electroquímicas que mantienen el flujo de energía.

La batería perfecta es imposible de conseguir. Por eso es necesaria una combinación de criterios que hay que balancear para tratar de lograr un producto que cumpla con todos ellos sin ser el mejor en ninguno: seguridad, densidad energética, potencia, ciclo de vida y altos porcentajes de reutilización y reciclaje, todo ello, al mínimo coste posible.

Para el caso de este último criterio, el bajo coste, las baterías de iones de sodio son unas candidatas ideales. Este material se obtiene de los océanos o de la corteza terrestre y por lo tanto es barato, abundante y sostenible. También ofrecen ventajas a la ahora de funcionar a altas temperaturas, puesto que no son inflamables y funcionan bien en climas fríos. Aunque no tienen tanta capacidad como las baterías de litio, cuando se ciclan a alto voltaje (4,5 voltios), pueden aumentar considerablemente la cantidad de energía que se puede almacenar en un peso o volumen determinado. Sin embargo, dan problemas de degradación a la hora de cargarse y descargarse, lo que, hasta ahora, ha obstaculizado su comercialización.

El equipo de investigadores del PNNL ha trabajado con este inconveniente modificando los ingredientes que forman el núcleo líquido de la batería. Ese cambio evita los problemas de rendimiento que han evidencian las baterías a base de sodio. La investigación y sus resultados han sido publicados en la revista Nature Energy. El director de la investigación, Jiguang (Jason) Zhang, pionero en tecnologías de baterías con más de 23 invenciones patentadas asegura haber demostrado “que las baterías de iones de sodio tienen el potencial de ser una tecnología duradera y respetuosa con el medio ambiente”.

Según explica Zhang, en las baterías, el electrolito es la "sangre" que circula y mantiene el flujo de energía. Se forma al disolver sales en solventes, dando como resultado iones cargados que fluyen entre los electrodos positivo y negativo. Con el tiempo, las reacciones electroquímicas que mantienen el flujo de energía se vuelven lentas y la batería deja de poder recargarse. En las tecnologías actuales de baterías de iones de sodio, este proceso ocurre mucho más rápido que en las baterías de iones de litio.

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En las pruebas de laboratorio los científicos ampliaron considerablemente la cantidad de ciclos de carga y descarga a más de 300 con una pérdida mínima de capacidad (menos del 10 %) para el caso de una batería del tamaño de una moneda.

La receta actual para el electrolito de las baterías de iones de sodio da como resultado que la película protectora en el extremo negativo (el ánodo) se disuelva con el tiempo. Esta película es crítica porque permite que los iones de sodio pasen, conservando la vida útil de la batería. La tecnología diseñada por PNNL funciona estabilizando esta película protectora.

El equipo de PNNL atacó el problema cambiando la solución líquida y el tipo de sal que fluye a través de ella para crear una nueva receta química para el electrolito. El nuevo electrolito también genera una capa protectora ultrafina en el polo positivo (el cátodo) que contribuye a la estabilidad adicional de toda la unidad.

En las pruebas de laboratorio, por primera vez, los científicos ampliaron considerablemente la cantidad de ciclos de carga y descarga (más de 300) con una pérdida mínima de capacidad (menos del 10 %) para el caso de una batería del tamaño de una moneda.

La tecnología recientemente desarrollada por los investigadores del PNNL utiliza una solución que funciona también como un sistema de extinción de incendios natural que es impermeable a los cambios de temperatura y que puede operar a altos voltajes. La clave de esta característica es precisamente la capa protectora ultrafina que se crea en el ánodo que permanece estable una vez formada, proporcionando el ciclo de vida prolongado.

La tecnología de las baterías de iones de sodio todavía lleva retraso respecto a lograr una elevada tasa de densidad de energía. Sin embargo, sus ventajas, como son la resistencia al cambio de temperatura, la estabilidad y el ciclo de vida prolongado, la hacen competitiva con respecto al litio porque son valiosas para implementarlas en vehículos eléctricos livianos e incluso para el almacenamiento de energía en red.

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