Nuevas baterías con menor proporción de Litio.

“Nuevas baterías de aire, Sodio y Litio”

Compilado por Manlio E. Wydler (°)

Se han publicado avances en nuevos tipos de baterías que podrían ayudar a la implantación de energías renovables.

En los últimos años se ha intentado fomentar el uso de energías alternativas, como pueda ser la solar o la eólica. Además se está intentando la electrificación de nuestro estilo de vida para así poder aprovechar estas fuentes de energía.El ser humano ha alcanzado y superado los límites ecológicos y climáticos del planeta Tierra. El consumo de combustibles fósiles, una natalidad desmedida y un estilo de vida básicamente depredador con nuestro entorno nos está llevando al desastre.

La realidad es que no puede existir el crecimiento sostenible porque el crecimiento exponencial sobre recursos finitos siempre llevará al desastre. Tampoco es posible la completa electrificación de nuestro estilo de vida porque hay sectores muy dependientes de los combustibles fósiles, como nuestra agricultura, transporte de mercancías o la minería. Tampoco se puede cambiar todo el parque automovilístico de un día para otro y, encima, ello llevaría a un gran consumo de energía.

Pese a todo, cualquier mejora pasa por el uso de energías alternativas. Pero el problema de este tipo de energías es su intermitencia. Para poder aprovecharlas se necesita algún tipo de almacenamiento y lo primero que se le ocurre a cualquiera es el uso de baterías. Pero las baterías actuales son caras o poco efectivas, por lo que se está investigando fuertemente en este campo. Así, por ejemplo, el sistema de almacenamiento de electricidad actual más barato sale un poco por debajo de 100 euros por kilovatio hora.

Las baterías de litio son cada día más efectivas y duraderas, pero no hay tanto litio en la corteza terrestre como para poder electrificar nuestro estilo de vida. Además, en una economía de mercado, el precio de un elemento dependerá de su demanda si su escasez en la corteza terrestre. Así que es de esperar que el precio del litio se incremente o se dispare.

Por esta razón se investiga en baterías que usen otros elementos. Vamos a ver algunos avances realizados recientemente en este tipo de nuevas baterías. Uno de ellos es la batería de aire, que usa el oxígeno atmosférico.

Ciento ochenta investigadores del MIT y otras instituciones han logrado desarrollar recientemente, después de 12 años de investigación, una batería de este tipo a un coste de un quinto de las de tecnología tradicional. Además se puede usar en muchas localizaciones y tiene cero emisiones.

El ánodo está hecho de azufre y una disolución de agua y el cátodo es una disolución salina en contacto con aire atmosférico. El oxígeno del aire produce una descarga de electrones del cátodo al pasar por él y combinarse. La liberación de oxígeno se produce cuando se carga la batería.

No se generan emisiones de dióxido de carbono y el costo de todos los materiales no supera un treintavo del costo de los materiales de las baterías habituales de litio. Además puede ser escalada para grandes instalaciones de tal modo que su costo estaría entre 20 y 30 euros por kilovatio hora.

El azufre es un elemento barato y abundante, por lo que no hay limitaciones en este aspecto. Pero el desafío fue que el cátodo líquido y económico fuera estable en el tiempo.

Ente los posibles candidatos a cátodo estaba el permanganato potásico como, pero el problema era el proceso de reducción que permite la descarga de electricidad, que normalmente es imposible de invertir. Es decir, la batería no se puede recargar. Pero, inesperadamente, ese proceso sí es posible si el oxígeno participa en la reacción. Así fue como estos investigadores dieron con el concepto de una batería de aire que puede almacenar energía durante largos periodos de tiempo a un precio bajo.

A partir de esto lograron desarrollar una batería de flujo en la que el electrolito es bombeado continuamente a través de los electrodos en los procesos de carga y descarga. La batería consiste en un ánodo líquido de polisulfito que contiene iones de litio y sodio y, separado por una membrana, un cátodo de sales disueltas oxigenadas. Como podemos ver, no se libra del todo del litio.

Durante la descarga el anolito libera electrones en el circuito externo y los iones de litio y sodio viajan hacia el cátodo. Para mantener la neutralidad, el catolito se combina con el oxígeno y crea radicales de hidróxido cargados negativamente. Cuando se carga el proceso es el inverso, se donan electrones al anolito través del circuito externo y se libera oxígeno en el cátodo.

De momento el prototipo tiene el tamaño de una taza de café, pero es fácilmente escalable. La densidad de energía de una batería de este tipo es unas 500 veces mayor que un embalse hidroeléctrico, por lo que es mucho más compacto.

Otro grupo distinto de investigadores, en este caso de la Universidad de Stanford, han logrado desarrollar una batería de sodio que puede almacenar la misma cantidad de energía que las baterías de litio comerciales, pero a un coste muy inferior.

Como todos sabemos, las propiedades químicas del litio, sodio o potasio son muy similares por estar en la misma columna de la tabla periódica, pero los iones de sodio son mucho más grandes que los de litio, por lo que las baterías de sodio suelen tener una peor reversibilidad entre carga y descarga y, por tanto, el número de ciclos, es decir la vida útil, de estas batería era muy inferior a las de litio.

Pero el sodio es infinitamente más abundante que el litio, pues la sal común no es más que cloruro sódico (tampoco nadie aclara qué se hace con el cloro en este caso), por lo que se puede obtener fácilmente. El litio cuesta unos 14000 euros la tonelada refinada, mientras que el sodio sale por unos 140 euros. Esto hace que una batería de sodio sea más o menos un 80% más barata que una de litio para el mismo almacenamiento de energía.

El funcionamiento es el mismo que para el litio, con un ión positivo de sodio cargado que se combina con un ión negativamente cargado. En este caso se usa un compuesto barato para este segundo papel: mio-inositol. Este compuesto es más común de lo que parece, pues está en la leche maternizada y se obtiene del salvado de arroz o como subproducto en el procesado del maíz. El ánodo está compuesto por fósforo.

Los investigadores se han centrado hasta ahora en la efectividad y coste de una batería de este tipo. Además han logrado optimizar la carga y descarga para que el número de ciclos que esta batería aguanta sean muchos. Para ello estudiaron cómo se comportaban los iones de sodio a nivel atómico con el acelerador de partículas SLAC.

Más adelante quieren estudiar la densidad volumétrica de este tipo de batería frente a las de litio. Básicamente quieren saber cómo de grande tiene que ser una batería de sodio para que almacene la misma energía que una de litio.

(°) Ingeniero, Presidente Honorario de FAPLEV. Vecino Solidario 2001.