Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago Prof. Y. Shirley Meng’s Laboratory for Energy Storage and Conversion ha creado la primera batería de estado sólido de sodio sin ánodo del mundo.
Con esta investigación, el LESC, una colaboración entre la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago y la Departamento de Ingeniería Química y Nano de la Universidad de California en San Diego Aiiso Yufeng Li Family , ha acercado más que nunca la realidad de las baterías de bajo costo, de carga rápida y alta capacidad para vehículos eléctricos y almacenamiento en la red.
“Aunque ha habido baterías de sodio, estado sólido y sin ánodo anteriores, nadie ha podido combinar con éxito estas tres ideas hasta ahora”, dijo Grayson Deysher, candidato a doctorado de la Universidad de California en San Diego, primer autor de un nuevo artículo que describe el trabajo del equipo.
El artículo, publicado hoy en Nature Energy, demuestra una nueva arquitectura de batería de sodio con un ciclo estable durante varios cientos de ciclos. Al eliminar el ánodo y utilizar sodio barato y abundante en lugar de litio, esta nueva forma de batería será más asequible y respetuosa con el medio ambiente para su producción. A través de su innovador diseño en 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 la brecha de escalado de las baterías que se necesita para alejar la economía mundial de los combustibles fósiles.
“Para mantener a Estados Unidos funcionando durante una hora, debemos producir un teravatio hora de energía”, dijo Meng. “Para cumplir nuestro objetivo de descarbonizar nuestra economía, necesitamos varios cientos de teravatios hora de baterías. Necesitamos más baterías, y las necesitamos rápido”.
Sostenibilidad y sodio
El litio que se usa comúnmente para las 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 el aumento de la demanda de baterías de iones de litio para portátiles, teléfonos y vehículos eléctricos, ha hecho que los precios se disparen, lo que ha hecho que las baterías necesarias estén más lejos de nuestro alcance.
Los depósitos de litio también están concentrados. El “Triángulo del Litio” de Chile, Argentina y Bolivia alberga más del 75% del suministro mundial de litio, con otros depósitos en Australia, Carolina del Norte y Nevada. Esto beneficia a algunas naciones sobre otras en la descarbonización necesaria para combatir el cambio climático.
“La acción mundial requiere trabajar juntos para acceder a materiales de importancia crítica”, dijo Meng.
La extracción de litio también es perjudicial para el medio ambiente, ya sea por los ácidos industriales que se utilizan para descomponer el mineral de la minería o por la extracción de salmuera más común que bombea cantidades masivas de agua a la superficie para secarla.
El sodio, común en el agua del mar y en la minería de soda, es un material de batería intrínsecamente más respetuoso con el medio ambiente. La investigación del LESC lo ha convertido en un material poderoso también.
Arquitectura innovadora
Para crear una batería de sodio con la densidad de energía 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 los iones mientras la batería se está cargando. Mientras la batería está en uso, los iones fluyen del ánodo a través de un electrolito hasta un colector de corriente (cátodo), alimentando dispositivos y coches en el camino.
Las baterías sin ánodo eliminan el ánodo y almacenan los iones en una deposición electroquímica de metal alcalino directamente en el colector de corriente. Este enfoque permite un voltaje de celda más alto, un costo de celda más bajo y una densidad de energía mayor, pero presenta 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 utiliza 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.
Un sólido que fluye
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 el electrolito.
Crearon su colector de corriente a partir de polvo de aluminio, un sólido que puede fluir como un líquido.
Durante el montaje de la batería, el polvo se densificó bajo alta presión para formar un colector de corriente sólido mientras se mantenía un contacto líquido con el electrolito, lo que permite el ciclismo de bajo costo y alta eficiencia que puede impulsar esta tecnología innovadora.
“Las baterías de estado sólido de sodio suelen verse como una tecnología que está muy lejos en el futuro, pero esperamos que este artículo pueda revitalizar un mayor impulso en el área del sodio al demostrar que de hecho puede funcionar bien, incluso mejor que la versión de litio en algunos casos”, dijo Deysher.
¿El objetivo final? Meng imagina un futuro energético con una variedad de opciones de batería limpias y económicas que almacenen energía renovable, escaladas para satisfacer las necesidades de la sociedad.
Meng y Deysher han presentado una solicitud de patente para su trabajo a través de la Oficina de Innovación y Comercialización de la Universidad de California en San Diego.
Cita: “Principios de diseño para permitir una batería de estado sólido de sodio sin ánodo”, Deysher et al, Nature Energy, 3 de julio de 2024. DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9
Financiación: La financiación para apoyar este trabajo fue proporcionada por la Fundación Nacional de la Ciencia a través de la subvención de Asociaciones para la Innovación (PFI) nº 2044465
Diario
Nature Energy
Título del artículo
Principios de diseño para permitir una batería de estado sólido de sodio sin ánodo
Fecha de publicación del artículo
3 de julio de 2024
Declaración de COI
G.D. y Y.S.M. han presentado una solicitud de patente para este trabajo a través de la Oficina de Innovación y Comercialización de la Universidad de California en San Diego.
