Prof. de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago. El Laboratorio de Conversión y Almacenamiento de Energía de Y. Shirley Meng ha creado la primera batería de estado sólido de sodio sin ánodo del mundo.
Con esta investigación, LESC, una colaboración entre la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago y la Cátedra Familiar Aiiso Yufeng Li de Química y Nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego, ha traído la realidad de la alta capacidad, carga rápida y bajo costo. Las baterías para vehículos eléctricos y el almacenamiento en la red están más cerca que nunca.
«Si bien antes ha habido baterías de sodio, de estado sólido y sin ánodo, hasta ahora nadie ha podido combinar con éxito estas tres ideas», dijo el candidato doctoral de UC San Diego, Grayson Deischer, primer autor de un nuevo artículo que describe el el trabajo del equipo.
Un artículo publicado hoy energía natural, demuestra una nueva arquitectura de batería de sodio con ciclos estables durante varios cientos de ciclos. Al eliminar el ánodo y utilizar sodio abundante y barato en lugar de litio, esta nueva forma de batería será más barata y más respetuosa con el medio ambiente de fabricar. Gracias a su innovador diseño de estado sólido, la batería también será segura y potente.
El trabajo es a la vez un avance científico y un paso necesario para llenar el vacío de escala de baterías necesario para que la economía global se aleje de los combustibles fósiles.
«Para que Estados Unidos funcione durante una hora, necesitamos producir un teravatio hora de energía», dijo Meng. «Para cumplir nuestra misión de descarbonizar nuestra economía, necesitamos varios cientos de teravatios hora de baterías. Necesitamos más baterías, y las necesitamos rápidamente».
Sostenibilidad y sodio
El litio, comúnmente utilizado en baterías, no es tan común. Constituye aproximadamente 20 partes por millón de la corteza terrestre, en comparación con el sodio, que constituye 20.000 partes por millón.
Esta escasez, combinada con la creciente demanda de baterías de iones de litio para computadoras portátiles, teléfonos y vehículos eléctricos, ha provocado que los precios aumenten, lo que hace que las baterías necesarias estén aún más fuera de nuestro alcance.
También se concentran los depósitos de litio. El «Triángulo del Litio» formado por Chile, Argentina y Bolivia posee más del 75% de las reservas mundiales de litio, con otros depósitos en Australia, Carolina del Norte y Nevada. Esto beneficia a algunos países más que a otros en la descarbonización necesaria para combatir el cambio climático.
«La acción global debe trabajar en conjunto para acceder a materiales críticos», afirmó Meng.
La extracción de litio también es mala para el medio ambiente, ya sean los ácidos industriales utilizados para descomponer el mineral extraído o la extracción más común de salmuera que bombea enormes cantidades de agua a la superficie para secarla.
El sodio, que es común en el agua del océano y en la minería de carbonato de sodio, es inherentemente un material de batería más ecológico. El estudio LESC también lo ha fortalecido.
Arquitectura innovadora
Para crear una batería de sodio con la densidad energética de una batería de litio, el equipo tuvo que inventar una nueva arquitectura de batería de sodio.
Las baterías tradicionales tienen un ánodo para almacenar iones mientras se carga la batería. Mientras la batería está en uso, los iones fluyen desde el ánodo a través del electrolito hasta el colector de corriente (cátodo), los dispositivos de energía y los automóviles.
Las baterías sin ánodo eliminan el ánodo y almacenan iones depositando electroquímicamente un metal alcalino directamente sobre el colector de corriente. Este enfoque proporciona voltajes de celda más altos, costos de celda más bajos y mayor densidad de energía, pero presenta sus propios desafíos.
«Cualquier batería sin ánodo requiere un buen contacto entre el electrolito y el colector de corriente», afirmó Deischer. «Esto suele ser muy fácil con un electrolito líquido porque el líquido puede fluir por todas partes y mojar todas las superficies. Un electrolito sólido no puede hacer eso».
Sin embargo, estos electrolitos líquidos crean una acumulación llamada interfase de electrolito sólido mientras consumen constantemente los materiales activos, lo que reduce la utilidad de la batería con el tiempo.
Un sólido que fluye
El equipo adoptó un enfoque nuevo e innovador para este problema. En lugar de utilizar un electrolito que rodeara el colector de corriente, crearon un colector de corriente que rodeaba el electrolito.
Crearon su colector actual a partir de polvo de aluminio, un sólido que puede fluir como un líquido.
Durante el ensamblaje de la batería, el polvo se compactó a alta presión para formar un colector de corriente sólido mientras se mantenía un contacto similar al líquido con el electrolito, lo que permite un ciclo de bajo costo y alta eficiencia que puede impulsar esta tecnología revolucionaria.
«Las baterías de sodio de estado sólido generalmente se consideran una tecnología de futuro lejano, pero esperamos que este artículo pueda estimular el campo del sodio demostrando que en realidad pueden funcionar bien, incluso mejor que la versión de litio en algunos casos», dijo Deischer.
¿La última meta? Meng imagina un futuro energético con una variedad de opciones de baterías limpias y de bajo costo que almacenen energía renovable adaptadas a las necesidades de la sociedad.
Meng y Deischer presentaron una solicitud de patente para su trabajo a través de la Oficina de Innovación y Comercialización de UC San Diego.
Financiamiento: El financiamiento para este trabajo fue proporcionado por la Fundación Nacional de Ciencias a través de la subvención no. 2044465
