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La batería ZEBRA es un tipo de batería recargable de sal fundida basada en materiales de bajo coste y comúnmente disponibles, principalmente níquel metálico, sodio y cloruro de la sal de mesa convencional , así como electrolito sólido de beta-alúmina . Se la conoce técnicamente como batería de sodio-níquel-cloruro y, a veces, como batería de sodio-haluro metálico . El nombre común proviene de su desarrollo en el marco del proyecto Zeolite Battery Research Africa (ZEBRA), iniciado en Sudáfrica en 1985.
Las baterías ZEBRA deben mantenerse calientes (a menudo se utilizan 300 °C) porque el metal de sodio se funde a 98 °C y porque el electrolito a base de NaAlCl4 se funde por encima de 150 °C). Además, esta temperatura elevada aumenta la conductividad iónica del electrolito sólido de beta-alúmina . Debido a las razones de gestión térmica, las baterías ZEBRA solo son prácticas cuando se construyen en formatos grandes. Se han examinado principalmente para el almacenamiento de energía de la red y, en menor grado, para vehículos eléctricos . ZEBRA es una alternativa más simple, más segura y menos costosa que la batería de sodio-azufre , por lo demás similar, aunque ofrece una menor densidad de energía , alrededor de 90 a 120 Wh/kg en comparación con los 150 Wh/kg de sodio-azufre. ZEBRA y sodio-azufre compiten con sistemas más conocidos, como litio-hierro-fosfato y litio-azufre en estas mismas funciones.
El diseño de ZEBRA se desarrolló de forma intermitente desde la década de 1980, y durante la década de 1990 se llevaron a cabo importantes investigaciones en AERE Harwell y AEG . Después de que Daimler comprara AEG y luego se fusionara con Chrysler , se vendió la división ZEBRA. El desarrollo de AERE se escindió como Beta R&D y fue comprado por General Electric en 2011. GE intentó lanzar la producción comercial de baterías de cloruro de sodio-níquel fundido bajo el nombre de Durathon , [1] pero descartó este proyecto en 2015, citando dificultades de mercado en lugar de técnicas. [2] [3] El único productor de baterías de cloruro de sodio-metal (SMC) es ahora FZSoNick. [4]
Daimler volvió a las baterías ZEBRA en 2006 para desarrollar una versión de propulsión eléctrica del Smart ForTwo , que seguía utilizando la carrocería tipo 450 de primera generación. El ED1 funcionaba con 13,2 kilovatios hora de baterías de cloruro de sodio y níquel Zebra que funcionaban a 245 °C (473 °F). Normalmente se mantiene fundido y listo para su uso porque, si se deja "congelar", tarda doce horas en recalentarse y cargarse. Por lo tanto, no es muy útil para propietarios privados, sino más bien en flotas de taxis, coches de policía [5] y otros vehículos que son operados por varios usuarios. Las pruebas de campo comenzaron en Londres con 100 vehículos en 2007 [ cita requerida ] y solo estaba disponible para arrendamiento a clientes corporativos por 375 libras al mes. [6] A partir de 2009, Smart utilizó iones de litio: Tesla proporcionó los paquetes de baterías para la flota de autos compartidos ED2 y Daimler produjo sus propias celdas para la serie ED3 de 2012 a 2015, la primera versión EV de Smart que realmente se vendió al público.
Las reacciones químicas implican el intercambio de electrones . Los materiales que intervienen en las reacciones se denominan reactivos . Las baterías utilizan algún tipo de barrera mecánica o química para evitar que estos intercambios de electrones se produzcan de forma espontánea, y solo permiten que se produzcan cuando existe una vía externa por la que los electrones puedan moverse. Esta vía se conecta a una carga y se utiliza para realizar un trabajo . En la mayoría de las baterías, la reacción se controla mediante el uso de un electrolito entre dos reactivos. Si los reactivos resultantes se liberan del sistema, se clasifican más típicamente (pero no siempre) como pilas de combustible . [7]
En la pila de zinc-carbono desechable común ("pila seca"), los dos componentes químicos principales que intervienen son el zinc y el óxido de manganeso , separados por un electrolito de cloruro de zinc y cloruro de amonio disueltos en agua para formar una pasta espesa. El movimiento del oxígeno desde el electrolito hasta el zinc en la carcasa exterior de la pila impulsa la mitad de la reacción. Esta reacción solo puede continuar si se libera oxígeno adicional del electrolito. La segunda mitad de la reacción la proporciona el electrodo de óxido de manganeso, que cede oxígeno al electrolito cuando se le presentan electrones. Por lo tanto, conectar un conductor entre el zinc y el manganeso hará que fluya corriente. [7]
En la batería de zinc-carbono, la reacción química sólo puede ocurrir fácilmente en una dirección: intentar "recargar" la batería no hará que el zinc vuelva a su estado sólido original sin problemas. Hay otras reacciones en las que los materiales no cambian de forma de la misma manera, o en el mismo grado, y se pueden recargar. Las baterías se dividen generalmente en dos tipos: baterías "primarias", que no se pueden recargar, y baterías "secundarias", que sí se pueden recargar. Los tipos mejorados de baterías secundarias son un área importante de investigación. [7]
Muchos compuestos unidos iónicamente son materiales potencialmente útiles para una batería. El voltaje de la reacción, y por lo tanto la energía total disponible por molécula, se incrementa seleccionando reactivos que se encuentren lo más alejados posible entre sí en la tabla periódica . La mayoría de las tecnologías de baterías avanzadas se basan en elementos de la categoría de metales ligeros, específicamente litio y sodio, y los elementos reactivos en el otro lado de la tabla, como oxígeno y azufre.
Esto hace que la sal de mesa común sea un material casi ideal para las baterías, ya que produce 2,58 voltios cuando se combina, en comparación con los 1,5 voltios que producen las baterías comunes a base de zinc. Sin embargo, esta combinación normalmente se produce en estado fundido. Con los electrolitos líquidos convencionales, los materiales de sal fundida podrían mezclarse libremente, completando la reacción sin necesidad de un circuito externo ni, por lo tanto, extrayendo energía. En este caso, una batería tiene que utilizar un electrolito sólido que separe los reactivos líquidos.
Las primeras baterías de sales fundidas se desarrollaron en la década de 1940 y se utilizaron ampliamente por primera vez en sistemas de guía de misiles en la era de la Segunda Guerra Mundial y después. Estos diseños utilizaban óxido de magnesio como esponja para almacenar los reactivos que se formaban por separado en estado líquido. Después de empaparse en los reactivos, el óxido de magnesio se enfriaba hasta convertirse en un sólido, se comprimía en gránulos y se apilaban. Cuando los gránulos se calentaban, los reactivos se derretían y fluían fuera de la esponja para comenzar a generar energía. Esto permite almacenarlos durante períodos prolongados sin pérdidas, pero son de un solo uso.
Un avance clave en el mercado de baterías recargables de sales fundidas fue el desarrollo de un electrolito cerámico sólido conocido como electrolito sólido de beta-alúmina o BASE. BASE, una zeolita , permite que los iones de sodio se muevan a través de él, mientras que bloquea el sodio no ionizado y otras moléculas también. La combinación de BASE con sales iónicas condujo a la batería de sodio-azufre , la primera batería recargable de sales fundidas. En los diseños típicos, un cilindro de BASE separa el sodio en el interior del azufre en el exterior, mediando el intercambio de carga entre ellos. Cuando el sodio cede un electrón, puede moverse a través de la BASE para combinarse con el azufre en una esponja de carbono envuelta alrededor de la BASE.
Para su funcionamiento, toda la batería debe calentarse hasta el punto de fusión del azufre, o por encima de él, a 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 inflamarse 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 renunciar al concepto. [8] Un importante desarrollo de almacenamiento en red que utilizaba el sistema también provocó un grave incendio en el incidente del incendio de la planta de Tsukuba en septiembre de 2011. [9] Véase más en Batería de sodio y azufre .
Una batería de sal fundida que utilice reactivos más seguros tendría una ventaja obvia sobre el diseño de sodio-azufre. Sin embargo, la mayoría de los materiales prometedores no funcionaban bien con BASE en su forma actual. Esto llevó al esfuerzo de ZEBRA, para intentar modificar BASE para permitir el funcionamiento con sal de mesa común. La idea básica fue desarrollada por Johan Coetzer en el Consejo de Investigación Científica e Industrial de Sudáfrica , y la primera patente se concedió en 1978. [10]
El desarrollo posterior comenzó en el Reino Unido en AERE Harwell y luego se escindió como BETA Research and Development. BETA a su vez se fusionó en una empresa conjunta formada por AEG (más tarde Daimler) y Anglo American en 1988. La empresa fusionada, AEG Anglo Batteries, comenzó la construcción piloto de baterías ZEBRA en 1994, pero con la fusión de Daimler con Chrysler en 1998, el proyecto se dio por terminado. MES-DEA, formada en 1999 en Suiza, se hizo cargo del desarrollo. Se emprendió una producción a pequeña escala, unos pocos miles de paquetes por año. [10] Innovenergy en Meiringen , Suiza, ha optimizado aún más esta tecnología con el uso de materias primas de origen nacional, a excepción del componente de níquel. A pesar de la capacidad reducida en comparación con las baterías de iones de litio , la tecnología ZEBRA es aplicable para el almacenamiento de energía estacionaria a partir de energía solar . La empresa opera una instalación de almacenamiento de 540 kwh para células solares en el techo de un centro comercial y produce más de un millón de unidades de baterías por año a partir de materiales sostenibles y no tóxicos. [11]
La clave del diseño de ZEBRA fue el desarrollo de una mezcla de níquel y cloruro de sodio y aluminio similar a BASE para producir un nuevo electrolito sólido. Al igual que el diseño de sodio y azufre, ZEBRA normalmente se construye en un conjunto anual cilíndrico o "canular". La carcasa exterior, de acero inoxidable recubierto de níquel , actúa como terminal negativo y contenedor principal del conjunto. Directamente dentro de la carcasa se encuentra el metal de sodio. Suspendido dentro del sodio está el electrodo cerámico BASE y, dentro de él, una mezcla de NiCl 2 y NaAlCl 4 . Suspendido en el medio de eso hay un electrodo que actúa como terminal positivo. [12]
La cerámica BASE es relativamente frágil, lo que la hace propensa a fracturarse debido a los choques mecánicos. Cuando estos se abren, el NaAlCl4 entra en contacto con el sodio para formar una sal y precipitar el aluminio:
NaAlCl4 + 3Na ⟹ 4NaCl+Al
Se trata de un compuesto rígido que sella pequeñas grietas. Si se forman grietas más grandes, la celda puede sufrir un cortocircuito en algún grado y debe retirarse del circuito de la batería. [13]
La curva de carga del diseño ZEBRA presenta una caída de voltaje bastante abrupta justo antes de que la celda se descargue por completo. Esto hace que sea difícil saber el estado de carga (SOC) y si la batería está a punto de "morir". Para ayudar a reducir esto, se agrega más potencia de aluminio para producir una segunda reacción:
Al + 4NaCl ⟺ 3Na + NaAlCl 4
Lo que puede indicar el estado de carga cuando esta reacción deja de ocurrir y hay una caída de voltaje menor, lo que indica que la batería está en un SOC bajo. [12]
La sal se licúa a 154 °C y la batería debe funcionar al menos a esta temperatura, normalmente más cerca de 300 °C. [12] Para la regulación térmica, las celdas se mantienen dentro de una botella de vacío de doble pared, normalmente de unos 25 milímetros (0,98 pulgadas) de espesor. [14] Si la batería se enfría a temperatura ambiente, se necesitan hasta dos días para que vuelva a funcionar. [15] Los materiales calientes y el sodio metálico siguen siendo un problema de seguridad. [14]
A diferencia de una batería de Na–S, el NaAlCl4 se utiliza normalmente como electrolito líquido secundario (catolito) en una batería ZEBRA para facilitar el movimiento de iones de Na+ en el cátodo, lo que proporciona ventajas fundamentales sobre una batería de Na–S, como temperaturas de funcionamiento más bajas y modos de fallo de celda seguros. Una batería ZEBRA también tiene ventajas como un mayor voltaje y un ensamblaje seguro en el estado descargado sin utilizar sodio metálico en el ánodo.