Las baterías de sales fundidas son una clase de batería que utiliza sales fundidas como electrolito y ofrece tanto una alta densidad de energía como una alta densidad de potencia . Las baterías térmicas tradicionales no recargables se pueden almacenar en su estado sólido a temperatura ambiente durante largos períodos de tiempo antes de activarse mediante calentamiento. Las baterías recargables de metal líquido se utilizan para respaldo de energía industrial, vehículos eléctricos especiales y para almacenamiento de energía de la red , para equilibrar las fuentes de energía renovables intermitentes , como paneles solares y turbinas eólicas..
Historia
Las baterías térmicas se originaron durante la Segunda Guerra Mundial cuando el científico alemán Georg Otto Erb desarrolló las primeras celdas prácticas utilizando una mezcla de sal como electrolito. Erb desarrolló baterías para aplicaciones militares, incluida la bomba voladora V-1 y el cohete V-2 , y sistemas de espoleta de artillería. Ninguna de estas baterías entró en uso en el campo durante la guerra. Posteriormente, Erb fue interrogado por la inteligencia británica. Su trabajo se informó en "La teoría y práctica de las células térmicas". Esta información se transmitió posteriormente a la División de Desarrollo de Artillería de la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos . [1] Cuando la tecnología llegó a los Estados Unidos en 1946, se aplicó inmediatamente para reemplazar los problemáticos sistemas basados en líquidos que se habían utilizado anteriormente para alimentar espoletas de proximidad de artillería . Se utilizaron para aplicaciones de artillería (p. Ej., Espoletas de proximidad) desde la Segunda Guerra Mundial y más tarde en armas nucleares . La misma tecnología fue estudiada por Argonne National Laboratories [2] y otros investigadores en la década de 1980 para su uso en vehículos eléctricos . [3]
Configuraciones recargables
Desde mediados de la década de 1960, se han realizado muchos trabajos de desarrollo en baterías recargables que utilizan sodio (Na) para los electrodos negativos. El sodio es atractivo por su alto potencial de reducción de -2,71 voltios, bajo peso, naturaleza no tóxica, abundancia relativa, disponibilidad y bajo costo. Para construir baterías prácticas, el sodio debe estar en forma líquida. El punto de fusión del sodio es 98 ° C (208 ° F). Esto significa que las baterías a base de sodio funcionan a temperaturas entre 245 y 350 ° C (470 y 660 ° F). [4] La investigación ha investigado combinaciones de metales con temperaturas de funcionamiento de 200 ° C (390 ° F) y temperatura ambiente. [5]
Sodio-azufre
La batería de sodio-azufre ( batería de NaS), junto con la batería de litio-azufre relacionada , emplea materiales de electrodo baratos y abundantes. Fue la primera batería comercial de metales alcalinos . Se utilizó azufre líquido para el electrodo positivo y un tubo cerámico de electrolito sólido de beta-alúmina (BASE). La corrosión de los aisladores fue un problema porque gradualmente se volvieron conductores y la tasa de autodescarga aumentó.
Debido a su alta potencia específica, las baterías NaS se han propuesto para aplicaciones espaciales. [6] [7] Una batería NaS para uso espacial se probó con éxito en la misión del transbordador espacial STS-87 en 1997, [8] pero las baterías no se han utilizado operativamente en el espacio. Se han propuesto baterías de NaS para su uso en el entorno de alta temperatura de Venus . [8]
Un consorcio formado por TEPCO (Tokyo Electric Power Co.) y NGK (NGK Insulators Ltd.) declaró su interés en investigar la batería NaS en 1983 y se convirtió en el principal impulsor del desarrollo de este tipo desde entonces. TEPCO eligió la batería NaS porque todos sus elementos componentes (sodio, azufre y cerámica) son abundantes en Japón. La primera prueba de campo a gran escala se llevó a cabo en la subestación Tsunashima de TEPCO entre 1993 y 1996, utilizando bancos de baterías de 3 × 2 MW y 6,6 kV. Con base en los hallazgos de esta prueba, se desarrollaron módulos de batería mejorados y se comercializaron en 2000. El banco comercial de baterías NaS ofrece:
- Capacidad: 25 a 250 kWh por banco
- Eficiencia del 87%
- Vida útil de 2500 ciclos al 100% de profundidad de descarga (DOD) o 4500 ciclos al 80% de DOD
Batería de cloruro de sodio-níquel (Zebra)
Una variante de baja temperatura [9] de las baterías de sales fundidas fue el desarrollo de la batería ZEBRA (originalmente, "Zeolite Battery Research Africa"; más tarde, la "Zero Emissions Batteries Research Activity") en 1985, desarrollada originalmente para aplicaciones de vehículos eléctricos. . [10] [11] La batería usa NaAlCl 4 con electrolito cerámico de Na + -beta-alúmina. [12]
El Na-NiCl
2La batería funciona a 245 ° C (473 ° F) y utiliza tetracloroaluminato de sodio fundido ( NaAlCl
4), que tiene un punto de fusión de 157 ° C (315 ° F), como electrolito. El electrodo negativo es sodio fundido. El electrodo positivo es níquel en estado descargado y cloruro de níquel en estado cargado. Debido a que el níquel y el cloruro de níquel son casi insolubles en fundidos neutrales y básicos , se permite el contacto, lo que proporciona poca resistencia a la transferencia de carga. Dado que tanto NaAlCl
4y Na son líquidos a la temperatura de funcionamiento, se utiliza una cerámica de alúmina β conductora de sodio para separar el sodio líquido del NaAlCl fundido
4. Los elementos primarios utilizados en la fabricación de estas baterías tienen reservas mundiales y producción anual mucho más altas que el litio. [13]
Fue inventado en 1985 por el grupo Zeolite Battery Research Africa Project (ZEBRA) del Consejo de Investigación Científica e Industrial (CSIR) en Pretoria, Sudáfrica . Se puede ensamblar en estado descargado, utilizando polvo de NaCl, Al, níquel y hierro. El electrodo positivo está compuesto principalmente de materiales en estado sólido, lo que reduce la probabilidad de corrosión y mejora la seguridad. [14] Su energía específica es de 100 Wh / kg; la potencia específica es de 150 W / kg. La cerámica sólida de β-alúmina no reacciona con el sodio metálico y el cloruro de sodio y aluminio. Se ha demostrado una vida útil de más de 2.000 ciclos y veinte años con baterías de tamaño completo, y más de 4.500 ciclos y quince años con módulos de 10 y 20 celdas. A modo de comparación [ cita requerida ] , las baterías de fosfato de hierro y litio LiFePO 4 almacenan entre 90 y 110 Wh / kg, y las baterías de iones de litio LiCoO 2 más comunes almacenan entre 150 y 200 Wh / kg. Una batería de nano -titanato de litio almacena 72 Wh / kg y puede proporcionar una potencia de 760 W / kg. [15]
El electrolito líquido de la ZEBRA se congela a 157 ° C (315 ° F) y el rango de temperatura de funcionamiento normal es de 270–350 ° C (520–660 ° F). Agregar hierro a la celda aumenta su respuesta de potencia. [14] Las baterías ZEBRA son fabricadas actualmente por FZSoNick [16] y se utilizan como respaldo de energía en las industrias de telecomunicaciones, petróleo y gas y ferrocarriles. También se utiliza en vehículos eléctricos especiales utilizados en minería. En el pasado, se adoptó en la furgoneta eléctrica Modec [ cita requerida ] , el vehículo de reparto Iveco Daily de 3,5 toneladas, [ cita requerida ] , el prototipo Smart ED y el Th! Nk City . [17] En 2011, el Servicio Postal de EE. UU. Comenzó a probar camionetas de reparto totalmente eléctricas, una que funciona con una batería ZEBRA. [18]
En 2010, General Electric anunció un Na-NiCl
2batería que llamó batería de haluro de sodio y metal, con una vida útil de 20 años. Su estructura de cátodo consta de una red conductora de níquel, electrolito de sal fundida, colector de corriente de metal, depósito de electrolito de fieltro de carbono y las sales activas de haluro metálico de sodio. [19] [20] En 2015, como resultado de una reestructuración global, la empresa abandonó el proyecto . [21] En 2017, el fabricante chino de baterías Chilwee Group (también conocido como Chaowei) creó una nueva empresa con General Electric (GE) para llevar al mercado una batería de Na-NiCl para aplicaciones industriales y de almacenamiento de energía. [22]
Cuando no está en uso, Na-NiCl
2Por lo general, las baterías se mantienen fundidas y listas para su uso porque, si se dejan solidificar, suelen tardar doce horas en recalentarse y cargarse. [23] Este tiempo de recalentamiento varía según la temperatura de la batería y la potencia disponible para recalentar. Después del apagado, una batería completamente cargada pierde suficiente energía para enfriarse y solidificarse en cinco a siete días. [ cita requerida ]
Las baterías de cloruro de sodio y metal son muy seguras; un fugitivo térmico sólo se puede activar perforando la batería y, además, en este caso poco probable, no se generará fuego ni explosión. Por este motivo y también por la posibilidad de ser instaladas al aire libre sin sistemas de refrigeración, hacen que las baterías de cloruro de sodio y metal sean muy adecuadas para las instalaciones industriales y comerciales de almacenamiento de energía.
Sumitomo estudió una batería que usa una sal que se funde a 61 ° C (142 ° F), mucho más baja que las baterías a base de sodio y opera a 90 ° C (194 ° F). Ofrece densidades de energía de hasta 290 Wh / L y 224 Wh / kg y tasas de carga / descarga de 1C con una vida útil de 100 a 1000 ciclos de carga. La batería emplea solo materiales no inflamables y no se enciende al entrar en contacto con el aire ni corre el riesgo de una fuga térmica. Esto elimina el almacenamiento de calor residual o el equipo a prueba de incendios y explosiones, y permite un empaque de celdas más cercano. La compañía afirmó que la batería requería la mitad del volumen de las baterías de iones de litio y una cuarta parte del de las baterías de sodio-azufre. [24] La celda usaba un cátodo de níquel y un ánodo de carbono vítreo. [25]
En 2014, los investigadores identificaron una aleación líquida de sodio-cesio que opera a 50 ° C (122 ° F) y produce 420 miliamperios-hora por gramo. El nuevo material pudo cubrir completamente, o "mojar", 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 del cesio. [26]
Baterías de metal líquido
El profesor Donald Sadoway del Instituto de Tecnología de Massachusetts ha sido pionero en la investigación de baterías recargables de metal líquido, utilizando tanto magnesio-antimonio como, más recientemente, plomo-antimonio . Las capas de electrodos y electrolitos se calientan hasta que se vuelven líquidas y se autosegregan debido a la densidad y la inmiscibilidad . Estas baterías pueden tener una vida útil más prolongada que las baterías convencionales, ya que los electrodos pasan por un ciclo de creación y destrucción durante el ciclo de carga-descarga, lo que las hace inmunes a la degradación que afecta a los electrodos de las baterías convencionales. [27] [28]
La tecnología fue propuesta en 2009 a base de magnesio y antimonio separados por una sal fundida. [29] [30] [31] Se eligió magnesio como electrodo negativo por su bajo costo y baja solubilidad en el electrolito de sal fundida. Se seleccionó antimonio como electrodo positivo debido a su bajo costo y mayor voltaje de descarga anticipado.
En 2011, los investigadores demostraron una celda con un ánodo de litio y un cátodo de plomo-antimonio, que tenía una conductividad iónica más alta y puntos de fusión más bajos (350–430 ° C). [27] El inconveniente de la química del Li es un mayor costo. Una celda Li / LiF + LiCl + LiI / Pb-Sb con un potencial de circuito abierto de aproximadamente 0,9 V operando a 450 ° C tenía costos de material electroactivo de US $ 100 / kWh y US $ 100 / kW y una vida útil proyectada de 25 años. Su potencia de descarga a 1,1 A / cm 2 es solo del 44% (y del 88% a 0,14 A / cm 2 ).
Los datos experimentales muestran una eficiencia de almacenamiento del 69%, con buena capacidad de almacenamiento (más de 1000 mAh / cm 2 ), bajas fugas (<1 mA / cm 2 ) y alta capacidad de descarga máxima (más de 200 mA / cm 2 ). [32] En octubre de 2014, el equipo del MIT logró una eficiencia operativa de aproximadamente el 70% a altas tasas de carga / descarga (275 mA / cm 2 ), similar a la de la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo y mayores eficiencias a corrientes más bajas. Las pruebas mostraron que después de 10 años de uso regular, el sistema retendría aproximadamente el 85% de su capacidad inicial. [33] En septiembre de 2014, un estudio describió una disposición que usaba una aleación fundida de plomo y antimonio para el electrodo positivo, litio líquido para el electrodo negativo; y una mezcla fundida de sales de litio como electrolito.
Una innovación reciente es la aleación PbBi que permite una batería de litio con un punto de fusión más bajo. Utiliza un electrolito de sal fundida a base de LiCl-LiI y funciona a 410 ° C. [34]
Se ha demostrado que los líquidos iónicos tienen destreza para su uso en baterías recargables. El electrolito es sal fundida pura sin disolvente añadido, lo que se consigue utilizando una sal que tiene una fase líquida a temperatura ambiente. Esto provoca una solución muy viscosa y, por lo general, se fabrica con sales estructuralmente grandes con estructuras de celosía maleable. [35]
Baterías térmicas (no recargables)
Tecnologias
Las baterías térmicas usan un electrolito que es sólido e inactivo a temperatura ambiente. Se pueden almacenar indefinidamente (más de 50 años) y, sin embargo, proporcionan plena potencia en un instante cuando sea necesario. Una vez activados, proporcionan una ráfaga de alta potencia durante un período corto (de unas pocas decenas de segundos a 60 minutos o más), con una potencia que varía de vatios a kilovatios . La alta potencia se debe a la alta conductividad iónica de la sal fundida (que da como resultado una baja resistencia interna), que es tres órdenes de magnitud (o más) mayor que la del ácido sulfúrico en una batería de automóvil de plomo-ácido .
Un diseño utiliza una tira de espoleta (que contiene cromato de bario y circonio metálico en polvo en un papel cerámico) a lo largo del borde de los gránulos térmicos para iniciar la reacción electroquímica. La tira de espoleta generalmente se dispara mediante un encendedor eléctrico o detonador que se activa con una corriente eléctrica.
Otro diseño utiliza un orificio central en el medio de la pila de baterías, en el que el encendedor eléctrico de alta energía dispara una mezcla de gases calientes y partículas incandescentes . Esto permite tiempos de activación mucho más cortos (decenas de milisegundos) frente a cientos de milisegundos para el diseño de banda de borde. La activación de la batería se puede lograr mediante un cebador de percusión , similar al cartucho de una escopeta . La fuente de calor debe ser sin gas. La fuente de calor estándar consiste típicamente en mezclas de polvo de hierro y perclorato de potasio en proporciones en peso de 88/12, 86/14 u 84/16. [36] Cuanto mayor sea el nivel de perclorato de potasio, mayor será la producción de calor (nominalmente 200, 259 y 297 cal / g respectivamente). Esta propiedad de almacenamiento inactivo tiene el doble beneficio de evitar el deterioro de los materiales activos durante el almacenamiento y eliminar la pérdida de capacidad debida a la autodescarga hasta que se activa la batería.
En la década de 1980, los ánodos de aleación de litio reemplazaron los ánodos de calcio o magnesio por cátodos de cromato de calcio , vanadio o óxidos de tungsteno . De litio de silicio aleaciones son favorecidos sobre las aleaciones de litio-aluminio anteriores. El cátodo correspondiente para usar con los ánodos de aleación de litio es principalmente disulfuro de hierro (pirita) reemplazado por disulfuro de cobalto para aplicaciones de alta potencia. El electrolito es normalmente una mezcla eutéctica de cloruro de litio y cloruro de potasio .
Más recientemente, también se han usado otros electrolitos eutécticos de bajo punto de fusión basados en bromuro de litio , bromuro de potasio y cloruro de litio o fluoruro de litio para proporcionar vidas operativas más largas; también son mejores conductores. El llamado electrolito "totalmente de litio" basado en cloruro de litio , bromuro de litio y fluoruro de litio (sin sales de potasio) también se usa para aplicaciones de alta potencia, debido a su alta conductividad iónica. Se puede usar un generador térmico de radioisótopos , como en forma de gránulos de 90 SrTiO 4 , para la entrega de calor a largo plazo para la batería después de la activación, manteniéndola en un estado fundido. [37]
Usos
Las baterías térmicas se utilizan casi exclusivamente para aplicaciones militares, especialmente para misiles guiados . [38] [39] Son la principal fuente de energía para muchos misiles como el AIM-9 Sidewinder , MIM-104 Patriot , BGM-71 TOW , BGM-109 Tomahawk y otros. En estas baterías, el electrolito se inmoviliza cuando se funde mediante un grado especial de óxido de magnesio que lo mantiene en su lugar por acción capilar . Esta mezcla en polvo se prensa en gránulos para formar un separador entre el ánodo y el cátodo de cada celda en la pila de baterías. Mientras el electrolito (sal) sea sólido, la batería estará inerte y permanecerá inactiva. Cada celda también contiene una fuente de calor pirotécnica , que se utiliza para calentar la celda a la temperatura de funcionamiento típica de 400–550 ° C.
Ver también
- Celda primaria
- Celda secundaria
- Red inteligente
- Batería de flujo
- Batería de Carnot
- Lista de tipos de baterías
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enlaces externos
- Grupo Sadoway - Baterías de metal líquido
- Ambry, Inc. - Baterías para energía limpia