Ciencia.-Gran avance en baterías económicas, limpias y de carga rápida

Una nueva batería de estado sólido de sodio sin ánodo acerca más que nunca la realidad de las baterías económicas, de carga rápida y alta capacidad para vehículos eléctricos y almacenamiento en red.

Así lo aseguran sus inventores, científicos de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago, en colaboración con el Departamento de Ingeniería Química y Nano de la de la Universidad de California en San Diego.

«Aunque ha habido baterías de sodio, de estado sólido y sin ánodo anteriores, nadie ha podido combinar con éxito estas tres ideas hasta ahora», dijo en un comunicado Grayson Deysher, candidato a doctorado de la UC San Diego, primer autor de la investigación, publicada en Nature Energy.

La investigación 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 económico, en lugar de litio, esta nueva forma de batería será más asequible y respetuosa con el medio ambiente de producir. Gracias a su innovador diseño de estado sólido, la batería también será segura y potente.

Este trabajo es a la vez un avance en la ciencia y un paso necesario para llenar el vacío de escala de baterías necesario para la transición de la economía mundial hacia una economía que deje de depender de los combustibles fósiles.

EL SODIO RELEVA AL LUTIO

El litio que se usa comúnmente para las baterías no es tan común. Representa alrededor de 20 partes por millón de la corteza terrestre, en comparación con el sodio, que representa 20.000 partes por millón.

Esta escasez, combinada con el aumento de la demanda de baterías de iones de litio para ordenadores portátiles, teléfonos y vehículos eléctricos, ha hecho que los precios se disparen, poniendo las baterías necesarias aún más fuera de alcance.

El sodio, común en el agua del océano y en la minería de carbonato de sodio, es un material de batería inherentemente más respetuoso con el medio ambiente. La investigación de LESC también lo ha convertido en uno de los más poderosos.

Para crear una batería de sodio con la densidad energética de una batería de litio, el equipo necesitaba inventar una nueva arquitectura de batería de sodio.

Las baterías tradicionales tienen un ánodo para almacenar los iones mientras se carga la batería. Mientras la batería está en uso, los iones fluyen desde el ánodo a través de un electrolito hasta un colector de corriente (cátodo), alimentando dispositivos y automóviles en el camino.

Las baterías sin ánodo eliminan el ánodo y almacenan los iones en una deposición electroquímica de metal alcalino directamente sobre el colector de corriente. Este enfoque permite un mayor voltaje de celda, un menor costo de celda y una mayor densidad de energía, pero conlleva sus propios desafíos.

«En cualquier batería sin ánodo debe haber un buen contacto entre el electrolito y el colector de corriente», dijo Deysher. «Esto suele ser muy fácil cuando se usa un electrolito líquido, ya que el líquido puede fluir por todas partes y mojar todas las superficies. Un electrolito sólido no puede hacer esto».

Sin embargo, esos 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.

El equipo adoptó un enfoque novedoso e innovador para este problema. En lugar de utilizar un electrolito que rodea el colector de corriente, crearon un colector de corriente que rodea al electrolito a partir de polvo de aluminio, un sólido que puede fluir como un líquido.

Durante el ensamblaje de la batería, el polvo se densificó bajo alta presión para formar un colector de corriente sólido mientras se mantenía un contacto similar al de un líquido con el electrolito, lo que permitió el ciclo de bajo costo y alta eficiencia que puede impulsar esta tecnología revolucionaria.

«Las baterías de estado sólido de sodio generalmente se consideran una tecnología de futuro lejano, pero esperamos que este artículo pueda impulsar más el área del sodio al demostrar que de hecho puede funcionar bien, incluso mejor que la versión de litio en algunos casos», dijo Deysher.