Una batería de sodio-azufre (NaS) es un tipo de batería de sal fundida que utiliza electrodos de sodio líquido y azufre líquido . [1] [2] Este tipo de batería tiene una densidad de energía similar a las baterías de iones de litio , [3] y se fabrica con materiales económicos y no tóxicos. Sin embargo, debido a la alta temperatura de funcionamiento requerida (generalmente entre 300 y 350 °C), así como la naturaleza altamente corrosiva y reactiva del sodio y los polisulfuros de sodio , estas baterías son principalmente adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionaria , en lugar de para su uso en vehículos. Las baterías de Na-S fundido son escalables en tamaño: hay un sistema de soporte de microrred de 1 MW en la isla Catalina 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 alta densidad energética (300-400 Wh/L), las baterías de sodio-azufre fundido no han logrado un despliegue a gran escala: solo ha habido alrededor de 200 instalaciones, con una energía combinada de 4 GWh y una potencia de 0,56 GW, en todo el mundo. [5] frente a los 948 GWh de 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 1000 ciclos en promedio (aunque hay informes de funcionamiento de 15 años con 300 ciclos por año). [5] En 2023, solo una empresa (NGK Insulators de Japón) produce baterías de NaS fundido a escala comercial.
Al igual que muchas baterías de alta temperatura, las celdas de sodio-azufre se vuelven más económicas a medida que aumenta el tamaño. Esto se debe a la ley del cuadrado-cubo : las celdas grandes tienen menos pérdida de calor relativa, por lo que es más fácil mantener sus altas temperaturas de funcionamiento. Las celdas disponibles comercialmente suelen ser grandes y de alta capacidad (hasta 500 Ah).
Un tipo similar de batería llamada batería ZEBRA , que utiliza una batería de NiCl
2/ AlCl3
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 funcionan con principios completamente diferentes y enfrentan desafíos diferentes a los de las baterías de NaS fundido de alta temperatura analizadas aquí.
Las baterías típicas tienen una membrana electrolítica sólida 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 se fabrica generalmente en 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 contenedor exterior sirve como electrodo positivo, mientras que el sodio líquido sirve como electrodo negativo. El contenedor 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 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 abandonar el intento de desarrollo de baterías de NaS fundido para automóviles. [7]
Durante la fase de descarga, el sodio elemental fundido en el núcleo actúa 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 contenedor de azufre fundido, que está fabricado a partir de un metal inerte que actúa como cátodo . El azufre se absorbe en una esponja de carbono .
La BASE es un buen conductor de iones de sodio por encima de los 250 °C, pero un mal conductor de electrones, y por lo tanto evita la autodescarga. El sodio metálico no humedece completamente la BASE por debajo de los 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 añadiendo captadores de oxígeno al sodio, pero incluso así la humectación fallará por debajo de los 200 °C. [8] Antes de que la celda pueda comenzar a funcionar, debe calentarse, lo que genera costos adicionales. Para abordar este desafío, se han realizado estudios de casos para acoplar baterías de sodio-azufre a sistemas de energía solar térmica. [9] La energía térmica recolectada del sol se utilizaría para precalentar las celdas 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 una fuente externa. [10]
Cuando el sodio emite un electrón , el ion Na + migra al recipiente de azufre. El electrón impulsa una corriente eléctrica a través del sodio fundido hasta el contacto, a través de la carga eléctrica y de regreso al recipiente de azufre. Aquí, otro electrón reacciona con el azufre para formar S n 2− , polisulfuro de sodio . El proceso de descarga se puede representar de la siguiente manera:
A medida que la celda se descarga, el nivel de sodio disminuye. Durante la fase de carga, se produce el proceso inverso.
El sodio puro presenta un peligro, ya que se quema espontáneamente en contacto con el aire y la humedad, por lo que el sistema debe protegerse del agua y de las atmósferas oxidantes.
En la madrugada del 21 de septiembre de 2011, un sistema de baterías de 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 de 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 baterías Na-S, que se denominó Ford Ecostar . El automóvil tenía una autonomía de conducción de 100 millas, que era el doble de la de cualquier otro automóvil totalmente eléctrico demostrado anteriormente. 68 de estos vehículos fueron arrendados a United Parcel Service , Detroit Edison Company , US Post Office , Southern California Edison , Electric Power Research Institute y California Air Resources Board . A pesar del bajo costo de los materiales, estas baterías eran caras de producir, ya que no se logró la economía de escala durante ese tiempo. Además, se estimó que la vida útil de la batería era de solo 2 años. Sin embargo, el programa se dio por terminado en 1995, después de que dos de las baterías de los automóviles arrendados se incendiaran. [13]
En 2009 , Ceramatec [actualizar]estaba desarrollando en Utah una versión de electrodo sólido de menor temperatura . Utilizan una membrana NASICON para permitir el funcionamiento a 90 °C con todos los componentes 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 recubrió completamente ("humedeció") 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, lo que compensó parte del aumento de 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 de almacenamiento de energía duradero 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 se convirtieron en los principales impulsores del desarrollo de este tipo desde entonces. TEPCO eligió la batería NaS porque todos sus elementos componentes ( sodio , azufre y alúmina ) son abundantes 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, 6,6 kV. Con base en los hallazgos de esta prueba, se desarrollaron módulos de batería mejorados y se comercializaron en 2000. El banco de baterías NaS comercial ofrece: [17]
Un proyecto de demostración utilizó una batería de NaS en el parque eólico Miura de Japan Wind Development Co. en Japón. [18]
En mayo de 2008, Japan Wind Development inauguró un parque eólico de 51 MW que incorpora un sistema de batería de sodio y azufre de 34 MW en Futamata, en la prefectura de Aomori. [19]
En 2007, se instalaron en Japón 165 MW de capacidad. 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 parques eólicos basada en veinte baterías de sodio y azufre de 50 kW. Se espera que la batería, de 80 toneladas y del tamaño de dos semirremolques, tenga una capacidad de 7,2 MW·h a una velocidad de carga y descarga de 1 MW. [21] Desde entonces, NGK anunció varias implementaciones a gran escala, incluida una planta virtual distribuida en 10 sitios en los Emiratos Árabes Unidos con un total de 108 MW/648 MWh en 2019. [22]
En marzo de 2011, Sumitomo Electric Industries y la Universidad de Kioto 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 energética que las de iones de litio y un coste considerablemente menor. El director ejecutivo de Sumitomo Electric Industry, Masayoshi Matsumoto, indicó que la empresa tenía previsto iniciar la producción en 2015. Se prevé que las primeras aplicaciones sean edificios y autobuses. [23] [ verificación fallida ]
Las baterías de beta-alúmina de sodio fundida no cumplieron con las expectativas de durabilidad y seguridad que fueron la base de varios intentos de comercialización en la década de 1980. Se determinó que la vida útil característica de las baterías de NaS es de 1000 a 2000 ciclos en una distribución de Weibull con k = 0,5. [24] Existen varias vías de degradación:
Las baterías de NaS se pueden utilizar para apoyar la red eléctrica o para aplicaciones de energía renovable independientes [33] . En determinadas condiciones de mercado, las baterías de NaS aportan valor a través del arbitraje energético (carga de la batería cuando la electricidad es abundante o barata y descarga en la red cuando la electricidad es más valiosa) y la regulación del voltaje [34] . Las baterías de NaS son una posible tecnología de almacenamiento de energía para apoyar 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 potencia, las baterías de sodio-azufre podrían utilizarse para ayudar a estabilizar la potencia de salida del parque eólico durante las fluctuaciones del viento. Este tipo de baterías presentan una opción para el almacenamiento de energía en lugares donde otras opciones de almacenamiento no son viables. Por ejemplo, las instalaciones de energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo requieren un espacio significativo y recursos hídricos, 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 y 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 punta con fuentes de energía renovables. [36] [37]
Debido a su alta densidad energética, la batería de NaS se ha propuesto para aplicaciones espaciales. [38] [39] Las celdas de sodio-azufre pueden ser aptas para el espacio: de hecho, una celda 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), que opera a 350 °C. Se lanzó en la misión STS-87 en noviembre de 1997 y demostró 10 días de operación experimental. [40]
El concepto de la misión Venus Landsailing Rover también está considerando el uso de este tipo de batería, ya que el rover y su carga útil están siendo diseñados para funcionar durante unos 50 días en la superficie caliente de Venus sin un sistema de enfriamiento. [41] [42]
El primer uso a gran escala de baterías de sodio-azufre se produjo 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 su uso en vehículos eléctricos. El Ecostar nunca entró en producción.
Una de las principales deficiencias de las baterías de sodio-azufre tradicionales es que requieren altas temperaturas para funcionar. Esto significa que deben precalentarse antes de su uso y que consumirán parte de su energía almacenada (hasta un 14%) para mantener esta temperatura cuando no se utilicen. Además de ahorrar energía, el funcionamiento a temperatura ambiente mitiga los problemas de seguridad, como las explosiones que pueden ocurrir debido a la falla del electrolito sólido durante el funcionamiento a altas temperaturas. [44] La investigación y el desarrollo de baterías de sodio-azufre que puedan funcionar a temperatura ambiente están en curso. A pesar de la mayor densidad energética teórica de las celdas de sodio-azufre a temperatura ambiente en comparación con las altas temperaturas, el funcionamiento a temperatura ambiente presenta desafíos como: [44]
El efecto lanzadera en las baterías de sodio-azufre produce 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 se produce cuando las formas solubles de polisulfuro 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 se pueden convertir de nuevo 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 para ver cómo se puede evitar el efecto lanzadera.
al tiempo que ayuda a mejorar el equilibrio entre la oferta y la demanda.