Un nuevo enfoque para las baterías recargables

David L. Chandler/MIT News Office

Una batería inventada hace cinco décadas podría revolucionar las técnicas de almacenamiento energético gracias a un descubrimiento efectuado por investigadores del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT) y otras instituciones. La batería, basada en electrodos de sodio y cloruro de níquel y dotada de una nueva membrana en forma de red metálica, podría usarse en instalaciones conectadas a la red eléctrica para lograr que las fuentes de energía intermitentes, como la eólica o la solar, suministren electricidad de manera continua y fiable. Los resultados del trabajo, dirigido por el catedrático del MIT Donald Sadoway, se publican en Nature Energy.

Aunque el tipo de batería empleado por los investigadores —un modelo basado en un electrodo de sodio líquido— fue descrito por primera vez en 1968, la idea nunca cristalizó en un dispositivo práctico debido a un gran inconveniente: se necesitaba una membrana fina que separase los componentes líquidos y, por aquel entonces, el único material conocido para tal fin era una membrana cerámica muy quebradiza. Tales membranas, finas como un papel, hacían que las baterías se dañasen con facilidad en condiciones de trabajo normales, por lo que el método nunca llegó a generalizarse.

Sin embargo, Sadoway y su equipo se percataron de que una red metálica con cierto tipo de recubrimiento podía desempeñar las mismas funciones que la membrana original. Pero, a diferencia de esta, el nuevo material sería mucho más resistente, flexible y podría hacer frente a los rigores que exigen los sistemas de almacenamiento a escala industrial.

«Creo que se trata de un gran avance», opina Sadoway, ya que, por primera vez en décadas, este tipo de baterías —baratas, fabricadas con materiales abundantes, de operación muy segura y con capacidad para llevar a cabo numerosos ciclos de carga y descarga sin degradarse— podrían convertirse en algo práctico.

Aunque algunas empresas habían continuado fabricando baterías de sodio líquido para usos específicos, «el coste seguía siendo alto debido a la fragilidad de las membranas cerámicas», añade Sadoway. «Nadie había conseguido que el proceso funcionase», incluida la compañía General Electric, que dedicó casi diez años a estudiar el problema antes de abandonarlo.

Cuando Sadoway y su equipo probaron varias opciones para los distintos componentes de la batería, se vieron sorprendidos por los resultados de ciertos compuestos de plomo. «Abrimos la celda y nos encontramos con pequeñas gotas que tenían que ser de plomo fundido.» En lugar de actuar como una membrana, tal y como esperaban, el material lo estaba haciendo como un electrodo, tomando parte en las reacciones electroquímicas de la batería.

«Aquello nos abrió los ojos a una técnica completamente distinta», continúa Sadoway. La membrana había cumplido su función, dejando pasar ciertas moléculas y bloqueando otras. Sin embargo, lo había conseguido gracias a sus propiedades eléctricas, no al proceso mecánico usual, consistente en separar las partículas en función del tamaño de los poros del material.

Tras experimentar con varios compuestos, los investigadores hallaron que una red de acero corriente recubierta con una solución de nitruro de titanio podía llevar a cabo todas las funciones de la membrana cerámica, pero sin adolecer de la fragilidad de dicho material. El hallazgo podría derivar en una familia de materiales baratos, duraderos y aptos para la fabricación de baterías recargables a gran escala.

El nuevo tipo de membrana puede aplicarse a una amplia variedad de baterías de electrodo fundido, añade el investigador, al tiempo que abre nuevas rutas para su diseño. «La posibilidad de construir una batería de sodio-sulfuro o una de sodio-cloruro de níquel sin recurrir a la cerámica lo cambia todo.»

Los resultados podrían dar lugar a baterías económicas y lo suficientemente grandes para permitir el almacenamiento a gran escala de la energía procedente de fuentes renovables intermitentes. Además, la misma técnica podría encontrar aplicaciones en otros campos, como algunos tipos de producción de metales.

Con todo, Sadoway advierte de que tales baterías no podrían usarse en teléfonos ni en automóviles. Su punto fuerte serían las grandes instalaciones fijas, en las que el coste es primordial pero donde ni el peso ni el tamaño importan demasiado, como ocurre en los sistemas de «balance de carga». En estos, un sistema de baterías económicas facilitaría que un porcentaje mucho mayor de energías renovables intermitentes contribuyese a la carga base de suministro permanente, hoy dominada por los combustibles fósiles.

Artículo reproducido con el permiso de MIT News.

Referencia: «Faradaically selective membrane for liquid metal displacement batteries». Huayi Yin et al. en Nature Energy, vol. 3, págs. 127-131, 22 de enero de 2018.