¿Cómo es la nueva batería de sodio y azufre?

En realidad, la tecnología base de esta batería eléctrica no es nueva. Las baterías de azufre-sodio (NaS) fueron desarrolladas originalmente por Ford Motor Company en los años 60. Unas décadas después se vendió esta tecnología a la empresa japonesa NGK, quién fabrica ahora los sistemas de baterías para aplicaciones estacionarias. Pero ¿por qué se habla de las nuevas baterías de sodio-azufre?

Tecnología sodio-azufre tradicional

La empresa NGK Insulators usa la tecnología tradicional, enfocando las baterías para su uso estacional. Para entender este tipo de funcionamiento debemos saber que las baterías estacionarias son conocidas también como baterías de reserva.

Es decir, están diseñadas para el almacenamiento y espera de una demanda de energía provocada por dos posibles factores: por una pérdida de corriente, por un corte del suministro de la red, que se conoce como situación de reserva, o un consumo regular, provocado por el uso de las baterías por la noche, que se conoce como uso estacionario.

Este tipo de baterías tienen un período de vida útil desde los 5 o 10 años hasta los 25. Se utilizan en instalaciones fotovoltaicas, SAI para suministro a ordenadores y centros de computación, ascensores, generadores industriales, entre otros.

Las baterías sodio-azufre tradicionales funcionan a altas temperaturas, de 300 a 350 °C, lo que puede ser una dificultad operacional en caso de funcionamiento intermitente. La eficiencia en el ciclo de carga-descarga se sitúa en torno al 90 %, lo que permite un uso eficiente de la energía.

¿Cómo funciona la batería de sodio-azufre tradicional?

Las baterías de sodio-azufre están formadas por un electrodo negativo de sodio y azufre en el cátodo. Un tubo cerámico de beta-alúmina funciona como electrolito, que únicamente permite el paso de iones de sodio.

Al descargarse, el sodio se oxida y el azufre se reduce para formar polisulfuro (Na₂Sx). En la fase de carga se recupera de nuevo el sodio metálico y el azufre elemental. La batería funciona a temperaturas de unos 300 °C o superiores. En estas condiciones, cuando la batería está operativa, ambos materiales se encuentran en estado líquido.

Para formar baterías con suficiente densidad de carga, las pilas de sodio-azufre se empaquetan en un módulo. Además, debemos saber que la configuración más habitual de estas baterías es para uso en grandes instalaciones, por lo que se montan 6 o más módulos en un contenedor. Así, se consiguen baterías de 250 kW a 1.450 MWh.

Novedades en la tecnología para baterías de sodio-azufre

Investigadores de la Universidad de Sídney han estado trabajando en los últimos años para mejorar esta tecnología de los años 60 del siglo pasado. Aunque aún no hay mucha información, puesto que es una investigación y en su artículo científico no aportan datos concretos, sí afirman que puede cuadruplicar la capacidad de carga de la actual batería de iones de litio.

En su publicación científica, se expone que las baterías son totalmente inorgánicas y de estado sólido de sodio-azufre. Algo que se mejora sobre las actuales de plomo y las actuales de litio. Así, esta investigación abre la puerta a una tecnología prometedora para el almacenamiento estacionario de energía debido a su alta seguridad, alta energía y abundantes recursos tanto de sodio como de azufre.

Además, las actuales baterías de sodio-azufre presentan un rendimiento deficiente en cuanto a ciclos de carga-descarga y capacidad de carga. Esto es debido, principalmente, a su bajo contacto físico entre electrodo-electrolito, que provoca una resistencia muy grande al paso de electrones.

En la investigación realizada en la Universidad de Sydney se ha trabajado en un enfoque innovador para abordar el problema de contacto interfacial. Así, se ha utilizado un nanocompuesto de carbono (Na₃PS₄-Na₂S-C) como cátodo para la nueva batería de sodio-azufre.

El Na₃PS₄ es un electrolito sólido altamente conductor iónico. Además, es un material activo, es decir, un catolito, tras mezclarse con carbono conductor electrónico. Esto favorece el contacto interfacial entre el electrodo y el electrolito, ya que solamente se requiere un contacto bifásico para la reacción de transferencia de carga.

La introducción de sulfuro de sodio (Na₂S) nano-estructurado en el nano-compuesto que forma el cátodo, mejora eficazmente la capacidad de carga. La distribución homogénea de sulfuro de sodio nano-estructurado, el electrolito de sodio en estado sólido (Na₃PS₄) y el carbono en el cátodo nano-compuesto puede garantizar una alta conductividad mixta (iónica y electrónica) y un contacto interfacial suficiente.

El cátodo nano-compuesto de Na₃PS₄-nanosificado Na₂S-carbono proporciona una elevada capacidad de descarga inicial de 869,2 mAh g-1 a 50 mA g-1 con una gran capacidad de ciclado y velocidad a 60 °C. Esto representa el mejor rendimiento de las pilas de sodio-azufre de estado sólido totalmente inorgánicas comunicado hasta la fecha.

Por ello, constituye un paso significativo hacia las baterías de sodio-azufre de estado sólido de alto rendimiento para aplicaciones prácticas. Esta condición, unido a su bajo coste de producción, facilitaría la amortización de las instalaciones de autoconsumo, o incluso en la electromovilidad.

Ventajas de la batería de sodio-azufre

En el caso de que esta innovación pueda llevarse a la producción industrial de las nuevas baterías, aportará unos beneficios tan importantes que podría revolucionar el sistema energético actual. Las grandes ventajas que aportaría son:

• Baterías mucho más económicas

Los elementos básicos para su fabricación son el sodio, el azufre y el carbono. Elementos muy comunes en todo el planeta y de fácil obtención. Esto significaría que no habría ningún monopolio de la explotación de ellos y su precio será bajo.

Además, se facilitaría su utilización en el almacenamiento de electricidad proveniente de las energías renovables como la fotovoltaica, la eólica o la mareomotriz, entre otras.

• Menor daño al medio ambiente

Debido a la facilidad de obtención de estos elementos, no se necesitaría tener grandes minas y su procesado no implica la contaminación del agua, como sí ocurre con el cobalto y otras tierras raras.

• Gran capacidad de carga

Según los estudios de los investigadores, con el dopado de carbono que facilita el contacto entre los componentes de la pila, se mejora en gran medida la transferencia iónica. Esto hace que la capacidad de carga podría ser de hasta 4 veces la de la actual batería de iones de litio.

• Facilidad de fabricación

Los elementos de esta nueva pila eléctrica pueden ser transformados y convertidos en baterías en las mismas fábricas que hoy producen las de litio. Esto facilitaría su producción a gran escala sin tener que crear nuevas infraestructuras.