Las baterías están llegando a su límite en cuanto a la cantidad de energía que pueden almacenar para un peso determinado. Esto supone un serio obstáculo para la innovación energética y la búsqueda de nuevas formas de impulsar aviones, trenes y barcos. Ahora, investigadores del MIT y de otras instituciones han ideado una solución que podría ayudar a electrificar estos sistemas de transporte.

En lugar de una batería, el nuevo concepto consiste en una especie de pila de combustible, similar a una batería, pero que puede recargarse rápidamente en lugar de recargarse. En este caso, el combustible es sodio metálico líquido, un producto económico y ampliamente disponible. El otro lado de la pila es simplemente aire común, que sirve como fuente de átomos de oxígeno. Entre ambos lados, una capa de material cerámico sólido actúa como electrolito, permitiendo el libre paso de los iones de sodio, y un electrodo poroso orientado al aire ayuda al sodio a reaccionar químicamente con el oxígeno y producir electricidad.

En una serie de experimentos con un prototipo, los investigadores demostraron que esta celda podría transportar más del triple de energía por unidad de peso que las baterías de iones de litio utilizadas en prácticamente todos los vehículos eléctricos actuales. Sus hallazgos se publican hoy en la revista Joule, en un artículo de los estudiantes de doctorado del MIT Karen Sugano, Sunil Mair y Saahir Ganti-Agrawal; el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Yet-Ming Chiang; y cinco personas más.

“Esperamos que la gente piense que es una idea descabellada”, dice Chiang, profesor de Cerámica de Kyocera. “Si no fuera así, me decepcionaría un poco, porque si al principio no les parece una locura, probablemente no será tan revolucionario”.

Y esta tecnología parece tener el potencial de ser bastante revolucionaria, sugiere. En particular, para la aviación, donde el peso es especialmente crucial, esta mejora en la densidad energética podría ser el avance que finalmente haga viable el vuelo eléctrico a gran escala.

“El umbral que realmente se necesita para una aviación eléctrica realista es de unos 1000 vatios-hora por kilogramo”, afirma Chiang. Las baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos actuales alcanzan un máximo de unos 300 vatios-hora por kilogramo, una cifra muy inferior a la necesaria. Incluso con 1000 vatios-hora por kilogramo, añade, eso no sería suficiente para permitir vuelos transcontinentales o transatlánticos.

Eso todavía está fuera del alcance de cualquier química de batería conocida, pero Chiang dice que llegar a 1.000 vatios por kilogramo sería una tecnología que permitiría la aviación eléctrica regional, que representa alrededor del 80 por ciento de los vuelos nacionales y el 30 por ciento de las emisiones de la aviación.

La tecnología también podría ser un factor facilitador para otros sectores, como el transporte marítimo y ferroviario. «Todos requieren una densidad energética muy alta y un bajo coste», afirma. «Y eso es lo que nos atrajo del sodio metálico».

Durante las últimas tres décadas se ha investigado mucho el desarrollo de baterías de litio-aire o sodio-aire, pero ha sido difícil conseguir que sean completamente recargables. «La densidad energética que se puede obtener con las baterías de metal-aire es conocida desde hace mucho tiempo, y ha resultado sumamente atractiva, pero nunca se ha materializado en la práctica», afirma Chiang.

Al utilizar el mismo concepto electroquímico básico, pero convirtiéndola en una pila de combustible en lugar de una batería, los investigadores lograron aprovechar las ventajas de la alta densidad energética de forma práctica. A diferencia de una batería, cuyos materiales se ensamblan una sola vez y se sellan en un contenedor, en una pila de combustible los materiales que transportan energía entran y salen.

El equipo produjo dos versiones diferentes de un prototipo del sistema a escala de laboratorio. En una, denominada celda H, dos tubos de vidrio verticales están conectados por un tubo en el centro que contiene un electrolito cerámico sólido y un electrodo de aire poroso. El sodio metálico líquido llena el tubo por un lado, y el aire fluye por el otro, proporcionando el oxígeno para la reacción electroquímica en el centro, que termina consumiendo gradualmente el combustible de sodio. El otro prototipo utiliza un diseño horizontal, con una bandeja del electrolito que contiene el combustible de sodio líquido. El electrodo de aire poroso, que facilita la reacción, está fijado al fondo de la bandeja.

Las pruebas que utilizan una corriente de aire con un nivel de humedad cuidadosamente controlado produjeron un nivel de más de 1.500 vatios-hora por kilogramo a nivel de una “pila” individual, lo que se traduciría en más de 1.000 vatios-hora a nivel del sistema completo, dice Chiang.

Los investigadores prevén que, para utilizar este sistema en una aeronave, se insertarían en las celdas de combustible paquetes de combustible con pilas de celdas, como si fueran bandejas de comida en una cafetería. El sodio metálico de estos paquetes se transforma químicamente al proporcionar la energía. Se desprende una corriente de su subproducto químico que, en el caso de una aeronave, se emitiría por la parte trasera, de forma similar al escape de un motor a reacción.

Pero hay una gran diferencia: no habría emisiones de dióxido de carbono. En cambio, las emisiones, compuestas de óxido de sodio, absorberían el dióxido de carbono de la atmósfera. Este compuesto se combinaría rápidamente con la humedad del aire para producir hidróxido de sodio, un material comúnmente usado como limpiador de desagües, que se combina fácilmente con el dióxido de carbono para formar un material sólido, el carbonato de sodio, que a su vez forma bicarbonato de sodio, también conocido como bicarbonato de sodio.

“Se produce una cascada natural de reacciones al empezar con sodio metálico”, dice Chiang. “Es todo espontáneo. No tenemos que hacer nada para que ocurra, solo tenemos que pilotar el avión”.

Como beneficio adicional, si el producto final, el bicarbonato de sodio, termina en el océano, podría ayudar a desacidificar el agua, contrarrestando otro de los efectos dañinos de los gases de efecto invernadero.

Se ha propuesto el uso de hidróxido de sodio para capturar dióxido de carbono como una forma de mitigar las emisiones de carbono, pero por sí solo no es una solución económica debido al alto coste del compuesto. "Pero en este caso, es un subproducto", explica Chiang, por lo que es prácticamente gratuito y genera beneficios ambientales sin coste alguno.

Es importante destacar que la nueva pila de combustible es inherentemente más segura que muchas otras baterías, afirma. El sodio metálico es extremadamente reactivo y debe estar bien protegido. Al igual que con las baterías de litio, el sodio puede inflamarse espontáneamente si se expone a la humedad. "Siempre que se tiene una batería con una densidad energética muy alta, la seguridad es una preocupación, ya que si se rompe la membrana que separa los dos reactivos, puede producirse una reacción descontrolada", explica Chiang. Pero en esta pila de combustible, un lado es solo aire, "que es diluido y limitado. Por lo tanto, no hay dos reactivos concentrados uno al lado del otro. Si se busca una densidad energética muy alta, es preferible una pila de combustible que una batería por razones de seguridad".

Si bien el dispositivo existe hasta ahora solo como un pequeño prototipo unicelular, Chiang afirma que el sistema debería ser bastante sencillo de escalar a tamaños prácticos para su comercialización. Los miembros del equipo de investigación ya han creado una empresa, Propel Aero, para desarrollar la tecnología. La empresa actualmente se encuentra en la incubadora de startups del MIT, The Engine.

Producir suficiente sodio metálico para permitir la implementación global y a gran escala de esta tecnología debería ser viable, ya que el material ya se ha producido a gran escala. Cuando la gasolina con plomo era la norma, antes de su eliminación gradual, se utilizaba sodio metálico para fabricar el tetraetilo de plomo, utilizado como aditivo, y se producía en Estados Unidos con una capacidad de 200.000 toneladas anuales. «Esto nos recuerda que el sodio metálico se producía a gran escala y se manipulaba y distribuía de forma segura en todo Estados Unidos», afirma Chiang.

Es más, el sodio se origina principalmente a partir del cloruro de sodio, o sal, por lo que es abundante, está ampliamente distribuido en todo el mundo y se extrae fácilmente, a diferencia del litio y otros materiales utilizados en las baterías de los vehículos eléctricos actuales.

El sistema que prevén utilizaría un cartucho recargable, que se llenaría con sodio metálico líquido y se sellaría. Al agotarse, se devolvería a una estación de recarga y se recargaría con sodio nuevo. El sodio se funde a 98 grados Celsius, justo por debajo del punto de ebullición del agua, por lo que es fácil calentarlo hasta el punto de fusión para recargar los cartuchos.

Inicialmente, el plan es producir una pila de combustible del tamaño de un ladrillo que pueda suministrar unos 1000 vatios-hora de energía, suficiente para alimentar un dron de gran tamaño, para probar el concepto en la práctica y poder utilizarlo, por ejemplo, en la agricultura. El equipo espera tener lista dicha demostración el próximo año.

Sugano, quien realizó gran parte del trabajo experimental como parte de su tesis doctoral y ahora trabajará en la startup, afirma que una idea clave fue la importancia de la humedad en el proceso. Al probar el dispositivo con oxígeno puro y luego con aire, descubrió que la humedad del aire era crucial para la eficiencia de la reacción electroquímica. El aire húmedo provocó que el sodio produjera sus productos de descarga en forma líquida en lugar de sólida, lo que facilitó considerablemente su eliminación mediante el flujo de aire a través del sistema. "La clave fue que podemos formar este producto de descarga líquido y eliminarlo fácilmente, a diferencia de la descarga sólida que se formaría en condiciones secas", explica.

Ganti-Agrawal señala que el equipo se inspiró en diversos subcampos de la ingeniería. Por ejemplo, se ha investigado mucho sobre el sodio de alta temperatura, pero ninguna con un sistema de humedad controlada. "Nos basamos en la investigación sobre pilas de combustible para el diseño de nuestro electrodo, en investigaciones anteriores sobre baterías de alta temperatura, así como en algunas investigaciones incipientes sobre baterías de sodio-aire, y las combinamos", lo que condujo al "gran aumento de rendimiento" que el equipo ha logrado, afirma.

El equipo de investigación también incluyó a Alden Friesen, becario de verano del MIT que asiste a la escuela secundaria Desert Mountain en Scottsdale, Arizona; Kailash Raman y William Woodford, de Form Energy, en Somerville, Massachusetts; Shashank Sripad, de And Battery Aero, en California; y Venkatasubramanian Viswanathan, de la Universidad de Michigan. El trabajo contó con el apoyo de ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures y la Fundación Nacional de Ciencias, y se utilizaron las instalaciones de MIT.nano.

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