Una batería de sodio-azufre (NaS) es un tipo de batería de sales fundidas que utiliza electrodos de sodio líquido y azufre líquido . [1] [2] Este tipo de batería tiene una densidad de energía similar a la de las baterías de iones de litio , [3] y está fabricada con materiales económicos y no tóxicos. Sin embargo, debido a la alta temperatura de funcionamiento requerida (generalmente entre 300 y 350 °C), así como a la naturaleza altamente corrosiva y reactiva del sodio y los polisulfuros de sodio , estas baterías son adecuadas principalmente para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionarias , en lugar de para uso en vehículos. Las baterías de Na-S fundido son escalables en tamaño: hay un sistema de soporte de microrred de 1 MW en Catalina Island CA (EE. UU.) y un sistema de 50 MW/300 MWh en Fukuoka , Kyushu (Japón). [4]
A pesar de su muy bajo costo de capital y su alta densidad de energía (300-400 Wh/L), las baterías de sodio-azufre fundido no han logrado un despliegue a gran escala: solo ha habido ca. 200 instalaciones, con una energía combinada de 4 GWh y una potencia de 0,56 GW, en todo el mundo. [5] frente a 948 GWh para las baterías de iones de litio . [6] La escasa adopción en el mercado de las baterías de sodio-azufre fundido se debe a sus problemas de seguridad y durabilidad, como un ciclo de vida corto de menos de 1.000 ciclos en promedio (aunque hay informes de funcionamiento durante 15 años con 300 ciclos por año). [5] En 2023, solo una empresa (NGK Insulators de Japón) producirá baterías de NaS fundido a escala comercial.
Como muchas baterías de alta temperatura, las celdas de sodio-azufre se vuelven más económicas a medida que aumentan de tamaño. Esto se debe a la ley del cuadrado del cubo : las celdas grandes tienen menos pérdida relativa de calor, por lo que mantener sus altas temperaturas de funcionamiento es más fácil. Las celdas disponibles comercialmente suelen ser grandes y con altas capacidades (hasta 500 Ah).
Un tipo similar de batería llamada batería ZEBRA , que utiliza NiCl
2/ AlCl
3El catolito en lugar de polisulfuro de sodio fundido ha tenido un mayor interés comercial en el pasado, pero a partir de 2023 [actualizar]no hay fabricantes comerciales de ZEBRA. También se conocen baterías de sodio-azufre a temperatura ambiente. No utilizan sodio líquido ni azufre líquido ni electrolito sólido de beta-alúmina de sodio , sino que operan con principios completamente diferentes y enfrentan desafíos diferentes a los de las baterías de NaS fundidas a alta temperatura que se analizan aquí.
Las baterías típicas tienen una membrana de electrolito sólido entre el ánodo y el cátodo , en comparación con las baterías de metal líquido donde el ánodo, el cátodo y la membrana son líquidos. [2]
La celda suele tener una configuración cilíndrica. Toda la celda está encerrada por una carcasa de acero que está protegida, generalmente por cromo y molibdeno , de la corrosión en el interior. Este recipiente exterior sirve como electrodo positivo, mientras que el sodio líquido sirve como electrodo negativo. El recipiente está sellado en la parte superior con una tapa de alúmina hermética . Una parte esencial de la celda es la presencia de una membrana BASE ( electrolito sólido de beta-alúmina ), que conduce selectivamente Na + . En aplicaciones comerciales, las celdas están dispuestas en bloques para una mejor conservación del calor y están encerradas en una caja aislada al vacío.
Para su funcionamiento, toda la batería debe calentarse hasta o por encima del punto de fusión del azufre de 119 °C. El sodio tiene un punto de fusión más bajo, alrededor de 98 °C, por lo que una batería que contiene azufre fundido contiene sodio fundido por defecto. Esto presenta un grave problema de seguridad; el sodio puede ser inflamable espontáneamente en el aire y el azufre es altamente inflamable. Varios ejemplares del Ford Ecostar , equipados con una batería de este tipo, estallaron en llamas durante la recarga, lo que llevó a Ford a abandonar el intento de desarrollar baterías de NaS fundido para automóviles. [7]
Durante la fase de descarga, el sodio elemental fundido en el núcleo sirve como ánodo , lo que significa que el Na dona electrones al circuito externo. El sodio se separa mediante un cilindro de electrolito sólido de beta-alúmina (BASE) del recipiente de azufre fundido, que está fabricado a partir de un metal inerte que sirve como cátodo . El azufre se absorbe en una esponja de carbón .
BASE es un buen conductor de iones de sodio por encima de 250 °C, pero mal conductor de electrones y, por tanto, evita la autodescarga. El sodio metálico no moja completamente la BASE por debajo de 400 °C debido a una capa de óxido(s) que los separa; Esta temperatura se puede reducir a 300 °C recubriendo la BASE con ciertos metales y/o agregando captadores de oxígeno al sodio, pero aun así la humectación fallará por debajo de 200 °C. [8] Antes de que la célula pueda empezar a funcionar, es necesario calentarla, lo que genera costes adicionales. Para afrontar este desafío, se han realizado estudios de caso para acoplar baterías de sodio y azufre a sistemas de energía solar térmica. [9] La energía térmica recolectada del sol se usaría para precalentar las células y mantener las altas temperaturas durante períodos cortos entre usos. Una vez en funcionamiento, el calor producido por los ciclos de carga y descarga es suficiente para mantener las temperaturas de funcionamiento y, por lo general, no se requiere ninguna fuente externa. [10]
Cuando el sodio desprende un electrón , el ion Na + migra al recipiente de azufre. El electrón conduce una corriente eléctrica a través del sodio fundido hasta el contacto, a través de la carga eléctrica y de regreso al contenedor de azufre. Aquí, otro electrón reacciona con el azufre para formar S n 2− , polisulfuro de sodio . El proceso de alta se puede representar de la siguiente manera:
A medida que la célula se descarga, el nivel de sodio desciende. Durante la fase de carga se produce el proceso inverso.
El sodio puro presenta un peligro porque se quema espontáneamente en contacto con el aire y la humedad, por lo que el sistema debe protegerse del agua y de atmósferas oxidantes.
Temprano en la mañana del 21 de septiembre de 2011, un sistema de batería NaS de 2000 kilovatios fabricado por NGK Insulators , propiedad de Tokyo Electric Power Company, utilizado para almacenar electricidad e instalado en la planta de Mitsubishi Materials Corporation en Tsukuba, Japón , se incendió. Tras el incidente, NGK suspendió temporalmente la producción de baterías NaS. [11]
Ford Motor Company fue pionera en el uso de baterías en la década de 1960 para alimentar los primeros modelos de automóviles eléctricos . [12] En 1989, Ford reanudó su trabajo en un automóvil eléctrico alimentado por batería Na-S, que recibió el nombre de Ford Ecostar . El automóvil tenía una autonomía de conducción de 100 millas, el doble que cualquier otro automóvil totalmente eléctrico demostrado anteriormente. 68 de esos vehículos fueron arrendados a United Parcel Service , Detroit Edison Company , la Oficina de Correos de EE. UU. , Southern California Edison , Electric Power Research Institute y California Air Resources Board . A pesar del bajo costo de los materiales, estas baterías eran costosas de producir, ya que durante ese tiempo no se logró la economía de escala . Además, se estimó que la duración de la batería era de sólo 2 años. Sin embargo, el programa finalizó en 1995, después de que dos de las baterías de los automóviles alquilados se incendiaran. [13]
En 2009 , Ceramatec [actualizar]estaba desarrollando en Utah una versión de electrodo sólido de temperatura más baja . Utilizan una membrana NASICON para permitir el funcionamiento a 90 °C con todos los componentes permaneciendo sólidos. [14] [15]
En 2014, los investigadores identificaron una aleación líquida de sodio y cesio que funciona a 150 °C y produce 420 miliamperios -hora por gramo. El material cubrió completamente ("mojó") el electrolito. Después de 100 ciclos de carga/descarga, una batería de prueba mantuvo aproximadamente el 97% de su capacidad de almacenamiento inicial. La temperatura de funcionamiento más baja permitió el uso de una carcasa externa de polímero menos costosa en lugar de acero, compensando parte del mayor costo asociado con el uso de cesio. [8] [16]
La batería NaS fue uno de los cuatro tipos de baterías seleccionados como candidatos para una investigación intensiva por parte del MITI como parte del "Proyecto Moonlight" en 1980. Este proyecto buscaba desarrollar un dispositivo duradero de almacenamiento de energía para servicios públicos que cumpliera con los criterios que se muestran a continuación en un proyecto de 10 años. .
Las otras tres eran baterías mejoradas de plomo-ácido , de flujo redox (tipo vanadio) y de zinc-bromo .
Un consorcio formado por TEPCO ( Tokyo Electric Power Co.) y NGK Insulators Ltd. declaró su interés en investigar la batería NaS en 1983, y desde entonces se convirtieron en los principales impulsores del desarrollo de este tipo. TEPCO eligió la batería de NaS porque todos los elementos que la componen ( sodio , azufre y alúmina ) abundan en Japón. La primera prueba de campo a gran escala tuvo lugar en la subestación Tsunashima de TEPCO entre 1993 y 1996, utilizando bancos de baterías de 3 x 2 MW y 6,6 kV. Sobre la base de los hallazgos de esta prueba, se desarrollaron módulos de batería mejorados que se pusieron a disposición comercialmente en el año 2000. El banco de baterías NaS comercial ofrece: [17]
Un proyecto de demostración utilizó una batería NaS en el parque eólico Miura de Japan Wind Development Co. en Japón. [18]
Japan Wind Development inauguró un parque eólico de 51 MW que incorpora un sistema de baterías de sodio y azufre de 34 MW en Futamata, en la prefectura de Aomori, en mayo de 2008. [19]
En 2007, se instalaron 165 MW de capacidad en Japón. NGK anunció en 2008 un plan para ampliar la producción de su fábrica de NaS de 90 MW al año a 150 MW al año. [20]
En 2010, Xcel Energy anunció que probaría una batería de almacenamiento de energía para un parque eólico basada en veinte baterías de sodio-azufre de 50 kW. Se espera que la batería de 80 toneladas y del tamaño de dos semirremolques tenga 7,2 MW·h de capacidad con una tasa de carga y descarga de 1 MW. [21] Desde entonces, NGK anunció varios despliegues a gran escala, incluida una planta virtual distribuida en 10 sitios en los Emiratos Árabes Unidos por un total de 108 MW/648 MWh en 2019. [22]
En marzo de 2011, Sumitomo Electric Industries y la Universidad de Kyoto anunciaron que habían desarrollado una batería de iones de sodio fundido de baja temperatura que puede generar energía a menos de 100 °C. Las baterías tienen el doble de densidad de energía que las de Li-ion y un coste considerablemente menor. El director general de Sumitomo Electric Industry, Masayoshi Matsumoto, indicó que la empresa tenía previsto comenzar la producción en 2015. Se prevé que las aplicaciones iniciales sean edificios y autobuses. [23] [ verificación fallida ]
Las baterías de beta-alúmina de sodio fundido no cumplieron con las expectativas de durabilidad y seguridad que fueron la base de varios intentos de comercialización en la década de 1980. La vida útil característica de las baterías de NaS se determinó entre 1.000 y 2.000 ciclos en una distribución de Weibull con k = 0,5. [24] Hay varias vías de degradación:
Las baterías de NaS se pueden implementar para respaldar la red eléctrica o para aplicaciones de energía renovable independientes [33] . En algunas condiciones de mercado, las baterías NaS proporcionan valor a través del arbitraje de energía (cargar la batería cuando la electricidad es abundante o barata y descargarla en la red cuando la electricidad es más valiosa) y regulación de voltaje . [34] Las baterías de NaS son una posible tecnología de almacenamiento de energía para respaldar la generación de energía renovable, específicamente parques eólicos y plantas de generación solar. En el caso de un parque eólico, la batería almacenaría energía durante épocas de mucho viento pero baja demanda de energía. Esta energía almacenada podría luego descargarse de las baterías durante los períodos de carga máxima . Además de este cambio de energía, se podrían utilizar baterías de sodio-azufre para ayudar a estabilizar la producción de energía del parque eólico durante las fluctuaciones del viento. Estos tipos de baterías presentan una opción para el almacenamiento de energía en lugares donde otras opciones de almacenamiento no son viables. Por ejemplo, las instalaciones hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo requieren importantes recursos hídricos y de espacio, mientras que el almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) requiere algún tipo de característica geológica, como una cueva de sal. [35]
En 2016, Mitsubishi Electric Corporation puso en funcionamiento la batería de sodio-azufre más grande del mundo en la prefectura de Fukuoka , Japón. La instalación ofrece almacenamiento de energía para ayudar a gestionar los niveles de energía durante las horas pico con fuentes de energía renovables. [36] [37]
Debido a su alta densidad de energía, la batería NaS se ha propuesto para aplicaciones espaciales. [38] [39] Las células de sodio-azufre se pueden fabricar para ser aptas para el espacio: de hecho, una célula de sodio-azufre de prueba voló en el transbordador espacial . El experimento de vuelo de NaS demostró una batería con una energía específica de 150 W·h/kg (3 x densidad de energía de la batería de níquel-hidrógeno), funcionando a 350 °C. Fue lanzado en la misión STS-87 en noviembre de 1997 y demostró 10 días de operación experimental. [40]
El concepto de misión Venus Landsailing Rover también está considerando el uso de este tipo de batería, ya que el rover y su carga útil están diseñados para funcionar durante unos 50 días en la superficie caliente de Venus sin un sistema de refrigeración. [41] [42]
El primer uso a gran escala de baterías de sodio-azufre fue en el vehículo de demostración Ford "Ecostar" , [43] un prototipo de vehículo eléctrico en 1991. Sin embargo, la alta temperatura de funcionamiento de las baterías de sodio-azufre presentó dificultades para el uso de vehículos eléctricos. El Ecostar nunca entró en producción.
Una de las principales deficiencias de las baterías tradicionales de sodio-azufre es que requieren altas temperaturas para funcionar. Esto significa que deben precalentarse antes de su uso y que consumirán parte de la energía almacenada (hasta un 14%) para mantener esta temperatura cuando no estén en uso. Además de ahorrar energía, el funcionamiento a temperatura ambiente mitiga los problemas de seguridad, como las explosiones que pueden ocurrir debido a fallas del electrolito sólido durante el funcionamiento a altas temperaturas. [44] Se están llevando a cabo investigaciones y desarrollo de baterías de sodio y azufre que puedan funcionar a temperatura ambiente. A pesar de la mayor densidad de energía teórica de las celdas de sodio-azufre a temperatura ambiente en comparación con la temperatura alta, el funcionamiento a temperatura ambiente presenta desafíos como: [44]
El efecto lanzadera en las baterías de sodio-azufre provoca una pérdida de capacidad, que puede definirse como una reducción en la cantidad de energía que se puede extraer de la batería. [45] Cuando la batería se descarga, los iones de sodio reaccionan con el azufre (que está en forma S 8 ) en el cátodo para formar polisulfuros en los siguientes pasos: [45]
El problema ocurre cuando las formas de polisulfuros solubles migran al ánodo, donde forman los polisulfuros insolubles. Estos polisulfuros insolubles se forman como dendritas en el ánodo que pueden dañar la batería e interferir con el movimiento de los iones de sodio hacia el electrolito. [45] Además, los polisulfuros insolubles en el ánodo no pueden volver a convertirse en azufre cuando se recarga la batería, lo que significa que hay menos azufre disponible para que la batería funcione (pérdida de capacidad). [45] Se están realizando investigaciones sobre cómo se puede evitar el efecto lanzadera.
La instalación ofrece capacidades de almacenamiento de energía similares a las de las instalaciones hidroeléctricas de bombeo, al tiempo que ayuda a mejorar el equilibrio entre oferta y demanda.