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Mauro Pasta

Baterías de iones de sodio

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El medio ambiente y la energía son unas de las principales áreas de preocupación del siglo XXI. El cambio climático asociado al aumento del CO2 en la atmósfera y el agotamiento de los recursos fósiles, además de la dependencia hacia países productores de petróleo políticamente no estables, hace necesario un cambio hacia un modelo energético basado en fuentes renovables.

Nuevas Baterías de Almacenamiento

A pesar del aumento de instalaciones con fuentes de energía renovable, principalmente eólica y fotovoltaica, la intermitencia e imposibilidad de gestión dificulta su uso frente al resto y por tanto para dar el salto definitivo hacia las redes eléctricas del futuro es necesario el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía apropiados.

Los sistemas de almacenamiento electroquímico, como las baterías, se presentan como la mejor solución. Sin embargo, hay algunas dificultades técnicas en términos de eficiencia, vida útil y coste de las tecnologías de almacenamiento actuales que explican por qué el almacenamiento de energía no se ha aplicado de forma generalizada.

Actualmente, las baterías de iones de litio (Li-ion), las cuales han conquistado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles, se han convertido en el principal candidato como fuente energética en la próxima generación de vehículos eléctricos e híbridos. Éstas proporcionan la mayor densidad energética de todas tecnologías actuales de baterías recargables; sin embargo, su elevado coste, la escasez de Li y las limitaciones técnicas (extremadamente sensibles a elevadas temperaturas, sobrecarga, presión interna acumulada, y la intolerancia a la descarga total) son los principales inconvenientes para su uso en el almacenamiento de energía.

En este contexto, las baterías de iones de sodio (Na-ion), a pesar de tener una menor densidad energética, poseen las ventajas suficientes para liderar la próxima generación de baterías para aplicaciones estacionarias dentro de las Smart Grids, en las cuales las limitaciones volumétricas son menores y el coste se convierte en el parámetro crítico. El sodio es abundante y está a continuación del litio en la tabla periódica, por tanto cabe esperar similitudes en términos de tecnología y rendimiento, y superiores a otras tecnologías actualmente en uso como las de Pb-ácido.

Las baterías de Na-ion son especialmente atractivas, ya que se puede utilizar las mismas infraestructuras industriales (misma tecnología de producción) que para las de Li-ion y por tanto minimizar el coste de la transferencia tecnológica. Otra reducción inmediata del coste es la posibilidad de utilizar una lámina de aluminio como colector de corriente tanto en el ánodo como en el cátodo en lugar de cobre (corrosión del aluminio en Li-ion).

Aún quedan muchos retos por resolver, especialmente en lo que se refiere a la vida útil y la seguridad a nivel de prototipo pre-industrial, los resultados actuales muestran que nos encontramos ante una tecnología competitiva a cualquiera de las existentes en términos de rendimiento y coste, que contribuirá a facilitar la gestión energética de las redes eléctricas del futuro.

Perspectiva general de las baterías de sodio-ion

Durante la década de los 80, el desarrollo de las baterías de Na-ion ha sido paralelo a las de Li-ion, pero debido al mejor ratio densidad/volumen ha sido esta última la que ha dominado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles desde 1990. Sin embargo, para aplicaciones estacionarias donde la densidad energética no es el parámetro más importante, la tecnología de Na-ion parece ser una muy excelente opción de futuro, con un coste estimado de <0.1 €/Wh en 2020 (50% inferior a Li-ion) y con la posibilidad de almacenar varios MWh en volúmenes reducidos (3 veces inferior a la tecnología Pb-acido).

Electrodos positivos para baterías de sodio-ion

En los últimos años, muchos materiales han sido propuestos como posibles cátodos para baterías de Na-ion, aunque los más prometedores y en los cuales se están centrando más esfuerzos son los óxidos laminares, los compuestos polianiónicos y el “Azul de Prusia” y sus análogos.

Entre estos materiales se encuentran los óxidos laminares y los compuestos polianiónicos, basados estos últimos en fosfatos, pirofosfatos, fluorofosfatos, sulfatos,etc.; que ofrecen una gran versatilidad para el desarrollo de nuevos materiales catódicos para baterías de Na-ion. Pero veamos en qué consiste el Azul de Prusia.

Uno de los materiales que más está captando la atención últimamente es el conocido como Azul de Prusia, AM[M´(CN)6] (A = metal alcalino, M = M´= generalmente Fe). Entre sus ventajas, cabe destacar su facilidad de síntesis, su naturaleza amigable con el medio ambiente y su estructura 3D y modulable, que facilita la intercalación de iones. Entre sus inconvenientes, mencionar una baja eficiencia coulómbica debido al colapso que suele producirse en su estructura a lo largo del ciclado. Actualmente se está trabajando en la prueba de concepto de una batería completa tal y como se ha demostrado en el Azul de Prusia.

Electrodos negativos para baterías de sodio-ion

La identificación de un ánodo con un voltaje adecuado, una gran capacidad reversible y una elevada estabilidad es necesaria para el desarrollo de las baterías de Na-ion. A pesar de llevarse a cabo una gran variedad de estudios, actualmente y desde un punto de vista industrial y futuras aplicaciones, solo el carbón desordenado se ha contemplado como un material anódico prometedor para baterías de Na-ion.

Los carbones desordenados son los materiales anódicos más estudiados y proporcionan una capacidad reversible de ~ 300 mAh g-1 a ~ 0.1 V. Si a sus excelentes prestaciones se le añade el hecho que son materiales de bajo coste (<1 € / kg) hacen de ellos uno de los materiales más atractivos para ánodos en baterías de Na-ion.

Por otra parte, también se está investigando en las Carbodiimidas y en las baterías de sodio-ion en medio acuoso. Uno de los enfoques más prometedores para la reducción de costes en baterías de Na-ion es el uso de electrolitos acuosos, y que además presentan una movilidad iónica más elevada y una mayor seguridad que los electrolitos orgánicos convencionales, aunque la ventana de voltaje es más pequeña.

Gracias a la variedad de ventajas que posee en términos de coste, y disponibilidad, conjuntamente con las prometedoras mejoras en cuanto a rendimiento, durabilidad y seguridad, hacen de la tecnología de Na-ion una clara opción de futuro para el almacenamiento de energía en Smart Grids. En este aspecto estamos trabajando, y por ello, los prometedores resultados obtenidos hasta el momento, hacen pensar que esto es posible.

Prof. Mauro Pasta

Descubre la Energía Azul y su gran potencial

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La Energía Azul o energía osmótica es la energía que se obtiene por la diferencia de salinidad entre el agua de mar y el agua de río. Este tipo de energía tiene un gran potencial para convertirse en una fuente de energía limpia renovable, contribuyendo así a la lucha contra el calentamiento global y el agotamiento de las energías tradicionales.

¿Qué es y cómo se obtiene la Energía Azul?

La Energía Azul usa la cantidad de energía que se libera cuando el agua dulce entra en contacto con el agua de mar. La diferencia de salinidad entre estas dos clases de agua, crea una fuente de energía limpia renovable. El proceso consiste en la permeación del agua con baja salinidad a otra con mayor concentración de sal, ya que, mientras mayor sea la diferencia salina entre ambas soluciones, mayor será la cantidad de energía producida.

Las primeras investigaciones sobre este tipo de energía osmótica se la debemos al científico norteamericano Sidney Loeb. Este científico desarrolló en los años 50 un procedimiento de obtención de agua potable por efecto de la ósmosis, empleando para ello una membrana sintética, agua de mar y altas presiones.

Algunos años más tarde, Loeb introdujo en su investigación la utilización de un tanque con dos cámaras separadas por una membrana semipermeable. En una de las cámaras se almacenaba el agua salada, y en la otra el agua dulce. La sal del agua de mar hacía que el agua dulce atravesase la membrana, generando un incremento de la presión del lado del agua de mar. Este aumento de presión, equivalente a una columna de agua de 120 metros, lo usó para mover una turbina y generar así electricidad.

Partiendo de dicho descubrimiento, en la actualidad existen dos líneas de investigación, una que se basa en la tecnología de Loeb, y otra que busca el efecto de electrodiálisis inversa.

Basándose en el prototipo de Loeb, funciona desde el año 2009 en Tofte (Noruega) una planta de energía azul experimental. En esta planta se prueba e investiga el uso de diferentes tipos de membranas y diseños. Así mismo, el Instituto Lumière Matière de Lyon, ha desarrollado un dispositivo experimental que se supone mil veces más eficiente que cualquier otro sistema.

Por otro lado, línea de investigación de Dr. Mauro Pasta se centra en la creación de un dispositivo al que llama Batería de Entropía.

La entropía como forma de generar electricidad

Todo sistema contiene entropía, es decir, una cierta medida de desorden. En un sistema cerrado la entropía tiende a aumentar según el segundo principio de la Termodinámica. Basándonos en esta premisa, si tomamos un vaso de agua pura y un cristal de sal por separado, cada uno de ellos contiene menos entropía que si los mezclamos. Una vez mezclados, para volver a separarlos tenemos que usar energía.

Si se necesita energía para separar el agua de la sal, también se puede obtener energía al mezclar el agua con la sal. De ahí surge la investigación sobre la generación de electricidad gracias a la diferencia entre la salinidad del agua dulce y el agua de mar.

La ventaja de la investigación de Dr. Mauro Pasta en comparación con los prototipos de membranas señalados anteriormente, es que, por el momento, las membranas son frágiles y la implementación de dichos sistemas supone una gran inversión. Mientras que la creación de una batería de entropía es muy simple. Se basa en dos electrodos sumergidos en un líquido que contiene iones, es decir, un electrolito. La interacción de los iones del agua dulce con el agua salada, da como lugar a una concentración de agua salada tal, que llega un momento en el que los electrodos no pueden contener más iones. Al alcanzar esta fase, es cuando podemos producir energía eléctrica.

Esta investigación, se ha centrado en el uso del dióxido de manganeso como electrodo positivo, ya que, no es perjudicial para el medio ambiente. Por otro lado, el electrodo negativo, que hasta ahora hemos usado, es de plata, con el que hemos obtenido muy buenos resultados. El único obstáculo para desarrollar el proyecto es que la utilización de electrodos de plata puede encarecer el proceso.

Por este motivo, Mauro Pasta continua investigando en la misma línea, para desarrollar el funcionamiento de la batería de entropía. Ya que, los estudios han demostrado que se puede alcanzar un 74% de eficiencia en la extracción de energía, usando este tipo de batería.

Tanto es así, que el potencial energético que se puede llegar a obtener es de 2TW, lo que viene a significar el 13% del total de energía consumida en todo el Planeta.

Prof. Mauro Pasta