Investigadores del MIT crean una pila de combustible de sodio con alta densidad energética
El nuevo portador de energía se basa en sodio abundante, como la sal marina, y funciona como una pila de combustible. La célula se recarga con sodio líquido a 98 grados Celsius, el punto de ebullición del agua, en lugar de recargarse con electrones en un sistema químico cerrado como las pilas.
En esta pila de combustible de sodio, un lado contiene sodio y el otro aire ordinario, que aporta átomos de oxígeno. Dividiendo las dos hay una capa de material cerámico sólido que sirve de electrolito y permite el paso de los iones de sodio. Un electrodo poroso orientado hacia el aire permite que el sodio reaccione químicamente con el oxígeno, produciendo electricidad.
Los investigadores consideran que su trabajo es más significativo en el sector de la aviación, donde el peso de las baterías ha sido un inconveniente para los aviones eléctricos. "El umbral que realmente se necesita para una aviación eléctrica realista es de unos 1.000 vatios-hora por kilogramo", afirma uno de los investigadores principales, el catedrático de Ciencia de los Materiales e Ingeniería, Yet-Ming Chiang. "Las baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos actuales alcanzan un máximo de unos 300 vatios-hora por kilogramo, ni de lejos lo que se necesita. Incluso con 1.000 vatios-hora por kilogramo, dice, no sería suficiente para permitir vuelos transcontinentales o transatlánticos".
La densidad energética que hace posible esta pila de combustible refleja un potencial similar al de la propulsión de la aviación con pilas de combustible de hidrógeno, que, aunque permite vuelos más largos que el corto alcance que permiten las baterías de iones de litio, sólo se considera práctica para la aviación regional, no para los vuelos intercontinentales. El MIT señala que este rango de distancia "representa alrededor del 80% de los vuelos nacionales y el 30% de las emisiones de la aviación".
Los investigadores consideran esta tecnología como un posible habilitador para otros sectores difíciles de descarbonizar, como el transporte por camión, marítimo y ferroviario. "Todos ellos requieren una densidad energética muy alta, y todos requieren un bajo coste", señala Chiang. "Y eso es lo que nos atrajo del sodio metálico".
Los investigadores descubrieron que la cantidad de humedad en el aire era crucial para que la reacción electroquímica fuera eficaz, lo que hacía que el sodio produjera sus productos de descarga en forma líquida y no sólida. Esto hace que sea mucho más fácil que los productos de descarga sean eliminados por el flujo de aire a través del sistema. "La clave fue que podemos formar este producto de descarga líquido y eliminarlo fácilmente, a diferencia de la descarga sólida que se formaría en condiciones secas", explicó la investigadora doctoral Karen Sugano.
"Estamos tirando de la investigación sobre pilas de combustible en lo que respecta al diseño de nuestro electrodo, estamos tirando de la investigación más antigua sobre baterías de alta temperatura, así como de alguna investigación incipiente sobre baterías de sodio-aire, y como que lo mezclamos", lo que condujo al "gran salto en el rendimiento" que el equipo ha logrado, dijo Saahir Ganti-Agrawal, también investigador doctoral del equipo.
La pila de combustible de sodio produce emisiones de óxido de sodio. Según los investigadores, esto absorbería el dióxido de carbono de la atmósfera. Las emisiones forman un compuesto que "se combina rápidamente con la humedad del aire para formar hidróxido de sodio -un material utilizado habitualmente como limpiador de desagües- que se combina fácilmente con el dióxido de carbono para formar un material sólido, el carbonato de sodio, que a su vez forma bicarbonato de sodio, también conocido como bicarbonato sódico", escribe el instituto tecnológico sobre el avance.
"Existe esta cascada natural de reacciones que se produce cuando se empieza con sodio metálico", dice Chiang. "Todo es espontáneo. No tenemos que hacer nada para que ocurra, sólo tenemos que pilotar el avión".
El bicarbonato sódico puede neutralizar los ácidos, por lo que el instituto plantea la tesis de que las emisiones químicas de la pila de combustible podrían contribuir -potencialmente- a la desacidificación de los océanos. El comunicado de prensa que anuncia el avance, publicado recientemente en Joule, destaca el hecho de que el sodio es muchas veces más abundante que el litio y mucho menos caro.
Los investigadores y el instituto tecnológico están respaldando aún más el descubrimiento. El plan es producir primero una pila de combustible del tamaño de un ladrillo que pueda suministrar unos 1.000 vatios-hora de energía. Esta densidad energética es suficiente para alimentar un dron de gran tamaño, para el que el equipo espera tener listo un prototipo para una demostración práctica durante el próximo año.
Propel Aero, la empresa que los investigadores han fundado para seguir desarrollando la tecnología, se encuentra actualmente alojada en la incubadora de empresas emergentes del MIT, The Engine. Chiang afirmó que el sistema de pila de combustible debería ser bastante sencillo de ampliar a tamaños prácticos para su comercialización.
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