Desarrollan la primera batería de sodio de estado sólido sin ánodo del mundo
(pme.uchicago.edu)- Investigadores del laboratorio de Y. Shirley Meng en UChicago PME y colaboradores de UC San Diego combinaron una estructura de sodio, electrolito sólido y sin ánodo, acercando la posibilidad de baterías de bajo costo, carga rápida y alta capacidad para vehículos eléctricos y almacenamiento en red
- Al usar sodio, abundante, en lugar de litio y eliminar el ánodo, se reducen costos e impacto ambiental, mientras que el diseño de estado sólido apunta a asegurar seguridad y potencia
- Un artículo en Nature Energy señala que la nueva estructura mostró cientos de ciclos estables, y la clave está en haber unido en una sola estructura tres conceptos de batería que antes se implementaban por separado
- El punto crítico del diseño está en que, en vez de que el electrolito envuelva al colector de corriente, el colector de corriente de polvo de aluminio rodea al electrolito, logrando un contacto estrecho como el de un líquido aunque sea sólido
- Los investigadores consideran que este enfoque es un paso para reducir la brecha de escala de baterías necesaria para reemplazar los combustibles fósiles, y ya completaron la solicitud de patente a través de la UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
Combinan sodio, estado sólido y diseño sin ánodo en una sola estructura
- El Laboratory for Energy Storage and Conversion, perteneciente al laboratorio de Y. Shirley Meng en UChicago Pritzker Molecular Engineering, creó la primera batería de sodio de estado sólido sin ánodo del mundo
- LESC es una organización colaborativa entre la UChicago Pritzker School of Molecular Engineering y el Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering de UC San Diego
- Las baterías de sodio, las baterías de estado sólido y las baterías sin ánodo ya existían por separado, pero no había casos en que las tres ideas se hubieran combinado con éxito
- El artículo Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery fue publicado en Nature Energy, y la nueva estructura mostró cientos de ciclos estables
Por qué buscan reducir la dependencia del litio
- Mientras el litio se encuentra en la corteza terrestre en torno a unas 20 ppm, el sodio es mucho más abundante, con alrededor de 20,000 ppm
- A medida que aumenta la demanda de baterías de ion-litio para laptops, teléfonos móviles y vehículos eléctricos, también crecen el precio del litio y la presión sobre el suministro, lo que dificulta aún más asegurar el volumen de baterías necesario
- Los yacimientos de litio están concentrados en algunas regiones
- El Lithium Triangle de Chile, Argentina y Bolivia posee más del 75% del suministro mundial de litio
- Otros yacimientos se encuentran en Australia, North Carolina, Nevada, entre otros lugares
- La extracción de litio puede causar daños ambientales por el uso de ácidos industriales para descomponer el mineral o por métodos de extracción de salmuera que bombean grandes cantidades de agua a la superficie para evaporarla
- El sodio es común en el agua de mar y en la minería de carbonato de sodio, por lo que se considera una opción más amigable con el medio ambiente como material para baterías
Lo que ganan y pierden las baterías sin ánodo
- Las baterías tradicionales tienen un ánodo que almacena iones durante la carga; durante el uso, los iones se mueven desde el ánodo a través del electrolito hacia el cátodo, que actúa como colector de corriente, para alimentar dispositivos y autos
- Las baterías sin ánodo eliminan el ánodo y almacenan los iones directamente sobre el colector de corriente en forma de deposición electroquímica de metal alcalino
- Este método permite mayor voltaje de celda, menor costo de celda y mayor densidad energética, pero dificulta el contacto entre el electrolito y el colector de corriente
- El problema de contacto varía mucho según el tipo de electrolito
- Los electrolitos líquidos pueden mojar la superficie y fluir a cualquier parte, por lo que es más fácil generar contacto
- Los electrolitos sólidos no pueden fluir ni mojar la superficie de la misma manera
- Los electrolitos líquidos generan acumulación de una interfase de electrolito sólido y consumen continuamente material activo, lo que reduce la utilidad de la batería con el tiempo
Diseño del colector de corriente hecho con polvo de aluminio
- Los investigadores eligieron una estructura en la que, en vez de que el electrolito rodee al colector de corriente, el colector de corriente rodea al electrolito
- El colector de corriente está fabricado con polvo de aluminio, un sólido que puede fluir como un líquido
- Durante el ensamblaje de la batería, el polvo se densifica a alta presión para formar un colector de corriente sólido, manteniendo al mismo tiempo un contacto con el electrolito similar al de un líquido
- Esta estructura permite ciclos de bajo costo y alta eficiencia, y puede impulsar el desarrollo de baterías de sodio de estado sólido
- Las baterías de sodio de estado sólido suelen considerarse una tecnología de futuro lejano, pero este resultado muestra que pueden funcionar bien en la práctica y podría acelerar más la investigación relacionada
Escalamiento de baterías y rumbo a la comercialización
- Meng afirmó que para hacer funcionar Estados Unidos durante una hora se debe producir 1 TWh de energía, y que para descarbonizar la economía se necesitan baterías a escala de cientos de TWh
- Esta investigación se evalúa como un avance científico para cerrar la brecha de escalamiento de baterías necesaria para transformar la economía mundial y dejar atrás los combustibles fósiles
- Meng imagina un futuro en el que diversas opciones de baterías limpias y de bajo costo, escaladas según las necesidades sociales, almacenen energía renovable
- Meng y Grayson Deysher completaron la solicitud de patente de esta investigación a través de la UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
- El apoyo a la investigación fue proporcionado mediante el National Science Foundation Partnerships for Innovation grant no. 2044465
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
El precio del litio en realidad cayó un 80% en los últimos 2 años, así que esa parte del artículo está equivocada según la situación actual.
“El litio, usado comúnmente en baterías, no es tan común. Está presente en la corteza terrestre en unas 20 ppm, mientras que el sodio está en 20.000 ppm.
Esta escasez, junto con el fuerte aumento de la demanda de baterías de ion de litio para laptops, celulares y vehículos eléctricos, disparó los precios e hizo más difícil conseguir las baterías necesarias”.
Fuente: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...
Dicho eso, este es un texto promocional de una universidad, así que es la forma típica de hacer que tanto el problema evitado como el impacto logrado parezcan enormes.
En lo esencial, las baterías sin ánodo tienen muchas características deseables, así que como logro de ingeniería son dignas de atención. En particular, los materiales son lo bastante accesibles como para que varios países puedan fabricar baterías abasteciéndose de sus propias materias primas, y no fallan por generación de calor aunque se comprometa la integridad de la celda, por lo que son más adecuadas para autos que las baterías de litio actuales.
El siguiente obstáculo es el costo de producción masiva, donde muchas innovaciones en baterías fracasan. Si, como vi ayer, pueden bajar a USD 1/kWh, vamos a ver muchas de estas baterías.
No predicen un pequeño excedente, sino un exceso considerable, y creen que los precios bajarán y que, en particular, las baterías nuevas y caras tendrán dificultades para competir mientras los fabricantes existentes reducen precios.
En los próximos años se fabricarán más baterías que todas las producidas hasta ahora. La producción está creciendo desde algo menos de 1 TWh al año hasta varios TWh. Bloomberg NEF estima la demanda del próximo año en unos 1,6 TWh/año y está siguiendo inversiones asociadas a nuevas fábricas por 7,9 TWh/año. No se construirán todas, pero es una capacidad enorme y también implica una gran demanda de litio. Aun así, como se señaló, los precios están cayendo. Porque hay suficiente litio y ya no hay escasez.
El litio abunda en lugares como Chile y Bolivia, pero el mayor productor real es Australia. Chile está por cederle pronto el segundo lugar a China: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
Todo esto es antes de considerar químicas de baterías que no usan litio. El ion de sodio se ve bastante prometedor ahora. No necesita litio, cobalto ni níquel, y ya se usa en autos baratos y almacenamiento para la red eléctrica. En especial para almacenamiento en red, las baterías basadas en litio no son necesariamente la opción más natural.
No sé mucho de electricidad, pero me parece que para que fluyan electrones se necesita un ánodo, ¿no?
Wikipedia dice: “en su lugar, crea un ánodo metálico cuando se carga por primera vez”.
Todavía no me queda del todo claro, pero parece tener cierto sentido.
La frase completa de Wikipedia es: “Una batería sin ánodo (AFB) es una batería que se fabrica sin ánodo. En su lugar, crea un ánodo metálico cuando se carga por primera vez”.
Se siente un poco como “serverless” ;)
Cuando la batería tiene carga, una parte del sodio metálico actúa como ánodo. Cuando está completamente descargada, el sodio se movió al cátodo, así que no hay ánodo.
No entiendo por qué deberíamos entusiasmarnos con que “cree un ánodo metálico cuando se carga por primera vez”.
No lo digo con sarcasmo; es una pregunta que quiero entender como si me lo explicaran a un niño de 5 años.
Na4MnCr(PO4)3
El cromo es 5 veces más abundante que el litio en la corteza terrestre (0,01% vs. 0,002%). Es mejor, pero no parece una diferencia enorme.
Las baterías de iones de sodio “comunes” que usan azul de Prusia parecen tener la gran ventaja de no usar elementos escasos. Sería bueno ver una comparación entre esta química de estado sólido y el enfoque convencional.
Las energías libres de Gibbs de formación de los óxidos de cromo y de la cromita son mucho más negativas que las de los minerales que contienen litio, por lo que los compuestos de Cr tienden a precipitar termodinámicamente en fundidos y soluciones, formar minerales de alta concentración y luego ser empujados hacia arriba por otros procesos. El Li+, por su único electrón de valencia, no suele formar enlaces relativamente fuertes ni fases minerales muy estables.
Además, los coeficientes de difusión de las especies de Cr en el magma y las rocas suelen ser varios órdenes de magnitud menores que los del Li. El Cr queda atrapado temprano en las estructuras cristalinas y permanece allí, mientras que el Li sigue moviéndose y difundiéndose en forma de minerales solubles en agua. También existen ciclos biogeoquímicos en los que los microorganismos pueden concentrar Cr en sedimentos.
[0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
Puede ser engorroso extraerlo, pero no es un material que vaya a agotarse.
También importa si es cromo trivalente, hexavalente o alguna otra forma.
Chromium > Precautions:
https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions
La prepublicación del artículo está aquí: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...
Expresiones como “la extracción de litio también daña el medio ambiente. La extracción de salmuera sube a la superficie enormes cantidades de agua y las seca” parecen algo exageradas.
Bombear agua desde lechos de lagos secos, donde no hay mucha vida, y evaporarla está bastante bajo en la escala de impactos ambientales de la minería. Me pregunto cómo se compara eso con la extracción de sodio.
El sodio puede obtenerse evaporando agua de mar en estanques, pero ese método destruye humedales. Hay muchos de esos alrededor de la bahía de San Francisco, y algunos se están restaurando a su estado original.
‘Environmental impact of direct lithium extraction from brines’ (2023), de Nature Reviews Earth & Environment, PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
No dice nada sobre densidad energética, volumen ni ciclos de carga.
Este anuncio es un logro científico, no un producto terminado para consumidores.
Así que todavía está en etapa experimental, y es probable que una versión de producto no salga en un año, o quizá tarde más. Los productos naturalmente se especializan en varias categorías, como vida útil, peso y capacidad, así que recién entonces esos indicadores cobran sentido. Hasta entonces, es solo un resultado experimental con métricas comparables con resultados de experimentos anteriores.
Los gráficos muestran una densidad de unos 400 Wh/kg y unos 800 Wh/L. Son cifras buenas para almacenamiento en la red eléctrica.
Lamentablemente, el artículo https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 está detrás de un muro de pago.
Habrá que ver. El éxito o fracaso de la tecnología de baterías depende de si las reacciones superficiales desordenadas y complejas durante los ciclos de descarga son realmente reversibles a tamaños prácticos.
Espero que sea un avance real, pero anticipo que el primer comentario señalará algo importante que esta batería no puede hacer en el mundo real.
La mayoría de las empresas de baterías de estado sólido basadas en litio de las que escuchamos durante el ciclo de hype tenían baterías de estado sólido con ciclos y densidad que parecían buenos, pero básicamente eran del tamaño de una pila de reloj.
Pero no pudieron escalar. Es decir, no pudieron fabricar las baterías grandes que usan los vehículos eléctricos modernos ni producirlas en masa en formatos de batería usados en el mundo real.
Aun así, esto se ve muy prometedor.
El resumen termina con: “Esta estructura de celda sirve como una dirección futura para otras químicas de baterías con el fin de habilitar baterías de bajo costo, alta densidad energética y carga rápida”. Es investigación básica y exploratoria importante.
Algún día las universidades realmente tendrán que replantearse cómo promocionan sus investigaciones. Como mínimo, deberían moderar los títulos que se leen como si vinieran de una startup fraudulenta y no de un laboratorio.
Lo importante en baterías es la escala y el costo total. Aunque los elementos sean más baratos, lo que importa es si pueden ofrecer un producto considerablemente mejor o más barato que el estándar actual. Basta ver el ascenso de LFP.
También es clave si se pueden usar las fábricas y tecnologías de fabricación existentes, o si hay que inventarlas o construirlas de nuevo. Venimos oyendo hablar de baterías de estado sólido desde hace 15 años, pero todavía no ha salido nada a una escala suficientemente grande.
Si las baterías de estado sólido despegan, probablemente lo harán primero en la aviación eléctrica y en superdeportivos, donde se puede esconder el costo en precios de productos más caros y se necesita mayor densidad.
Si “ciclado estable durante cientos de ciclos” es todo, queda corto por un orden de magnitud respecto de una batería útil.
Ojalá esto tenga éxito comercial y desaparezca por completo el proceso sucio de fabricar y desplegar baterías de litio.
Espero que dependamos menos de China y de países con prácticas laborales cuestionables, como trabajo infantil o regulaciones de seguridad casi inexistentes.
Descargo de responsabilidad: de verdad quiero que estas baterías tengan éxito.