Científicos desarrollan una batería que es capaz «congelar» su energía durante meses

El desarrollo de la «batería de congelación-descongelación», que congela su energía para utilizarla más tarde, es un paso hacia las baterías que pueden utilizarse para el almacenamiento estacional: ahorrar energía en una estación, como la primavera, y gastarla en otra, como el otoño.

El prototipo es pequeño, del tamaño de un disco de hockey. Pero la utilidad potencial de la ciencia que se esconde tras el dispositivo es enorme, ya que augura una época en la que la energía procedente de fuentes intermitentes, como el sol y el viento, podrá almacenarse durante mucho tiempo. El trabajo de los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía se publicó en línea el 23 de marzo en Cell Reports Physical Science.

«Las tecnologías de almacenamiento de energía de larga duración son importantes para aumentar la resistencia de la red cuando se incorpora una gran cantidad de energía renovable», dijo Imre Gyuk, director de Almacenamiento de Energía de la Oficina de Electricidad del DOE, que financió el trabajo. «Esta investigación supone un paso importante hacia una solución de almacenamiento de baterías estacional que supere las limitaciones de autodescarga de las tecnologías de baterías actuales».

Aprovechar y empaquetar la energía de la naturaleza

Las fuentes renovables fluyen y refluyen con los ciclos de la naturaleza. Eso hace difícil incluirlas en un flujo de electricidad fiable y constante. En el noroeste del Pacífico, por ejemplo, los ríos cargados de escorrentía alimentan al máximo las presas hidroeléctricas, mientras los vientos soplan con fuerza en el desfiladero del Columbia. Toda esa energía debe aprovecharse inmediatamente o almacenarse como máximo durante unos días.

A los operadores de la red les encantaría aprovechar esa energía primaveral, almacenarla en grandes baterías y liberarla a finales de año, cuando los vientos de la región son más lentos, los ríos están bajos y la demanda de electricidad alcanza su punto máximo.

Las baterías también mejorarían la capacidad de las empresas de servicios públicos para hacer frente a los cortes de electricidad durante las tormentas severas, haciendo que grandes cantidades de energía estén disponibles para alimentar la red después de un huracán, un incendio forestal u otra calamidad.

«Es muy parecido a cultivar alimentos en el jardín en primavera, poner los que sobran en un recipiente en el congelador y descongelarlos para cenar en invierno», explica el primer autor, Minyuan «Miller» Li.

La batería se carga primero calentándola a 180 grados Celsius, lo que permite que los iones fluyan a través del electrolito líquido para crear energía química. A continuación, la batería se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente, con lo que la energía de la batería queda bloqueada. El electrolito se vuelve sólido y los iones que transportan la energía permanecen casi inmóviles. Cuando se necesita la energía, la batería se recalienta y la energía fluye.

El fenómeno de congelación-descongelación es posible porque el electrolito de la batería es una sal fundida, un primo molecular de la sal de mesa común. El material es líquido a altas temperaturas, pero sólido a temperatura ambiente.

El concepto de congelación-descongelación evita un problema que conoce cualquiera que haya dejado su coche sin usar durante demasiado tiempo: una batería que se autodescarga cuando está inactiva. Un ritmo de descarga rápido, como el de las baterías de la mayoría de los coches u ordenadores portátiles, dificultaría una batería de red diseñada para almacenar energía durante meses. En particular, la batería de congelación-descongelación del PNNL ha conservado el 92% de su capacidad durante 12 semanas.

En otras palabras, la energía no se degrada mucho; se conserva, como la comida en un congelador.

Ingredientes ordinarios, una ventaja

El equipo evitó materiales raros, caros y altamente reactivos. En su lugar, la batería de aluminio-níquel y sal fundida está repleta de materiales comunes y abundantes en la Tierra. El ánodo y el cátodo son placas sólidas de aluminio y níquel, respectivamente. Se sumergen en un mar de electrolito de sal fundida que es sólido a temperatura ambiente pero que fluye como un líquido cuando se calienta. El equipo añadió azufre -otro elemento común y de bajo coste- al electrolito para mejorar la capacidad energética de la batería.

Una de las mayores ventajas de la batería es la composición de un componente, llamado separador, colocado entre el ánodo y el cátodo. La mayoría de las baterías de sal fundida de alta temperatura requieren un separador de cerámica, que puede ser más caro de fabricar y susceptible de romperse durante el ciclo de congelación y descongelación. La batería del PNNL utiliza una simple fibra de vidrio, lo que es posible gracias a la química estable de la batería. Esto reduce los costes y hace que la batería sea más resistente a los ciclos de congelación y descongelación.

«Reducir los costes de las baterías es fundamental. Por eso hemos elegido materiales comunes y menos costosos con los que trabajar, y por eso nos hemos centrado en eliminar el separador de cerámica», dijo el autor correspondiente Guosheng Li, que dirigió el estudio.

La energía de la batería se almacena a un coste de materiales de unos 23 dólares por kilovatio hora, medido antes de un reciente salto en el coste del níquel. El equipo está estudiando el uso de hierro, que es menos caro, con la esperanza de reducir el coste de los materiales a unos 6 dólares por kilovatio hora, aproximadamente 15 veces menos que el coste de los materiales de las baterías de iones de litio actuales.

La densidad energética teórica de la batería es de 260 vatios-hora por kilogramo, superior a la de las actuales baterías de plomo-ácido y de flujo.

Los investigadores señalan que las baterías diseñadas para el almacenamiento estacional probablemente se cargarían y descargarían sólo una o dos veces al año. A diferencia de las baterías diseñadas para alimentar coches eléctricos, ordenadores portátiles u otros dispositivos de consumo, no necesitan durar cientos o miles de ciclos.

«Se puede empezar a imaginar algo así como una gran batería en un tractor-remolque de 40 pies aparcado en un parque eólico», dijo el coautor Vince Sprenkle, asesor estratégico principal del PNNL. «La batería se carga en primavera y luego el camión es conducido por la carretera hasta una subestación donde la batería está disponible si se necesita durante el calor del verano».

Battelle, que opera el PNNL, ha solicitado una patente sobre la tecnología. Puede obtenerse más información AQUÍ

Otros autores del artículo son los investigadores del PNNL Evgueni Polikarpov, Nathan Canfield, Mark Engelhard, J. Mark Weller y David Reed, y el antiguo científico del PNNL Xiaowen Zhan.