Batería de sales fundidas

La batería de sodio-azufre (batería NaS), junto con la batería de litio-azufre, utiliza materiales de electrodo económicos y abundantes. Fue la primera batería comercial de metal alcalino . Empleaba azufre líquido para el electrodo positivo y un tubo cerámico de electrolito sólido de beta-alúmina (BASE). La corrosión del aislante era un problema, ya que gradualmente se volvía conductor, lo que aumentaba la tasa de autodescarga.

Debido a su alta potencia específica, las baterías de NaS se han propuesto para aplicaciones espaciales. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Una batería de NaS para uso espacial se probó con éxito en la misión STS-87 del transbordador espacial en 1997, ^{[ 10 ]} pero las baterías no se han utilizado operativamente en el espacio. Se ha propuesto el uso de baterías de NaS en el entorno de alta temperatura de Venus . ^{[ 10 ]}

Un consorcio formado por Tokyo Electric Power Co. (TEPCO) y NGK Insulators Ltd. manifestó su interés en investigar la batería de sodio-azufre (NaS) en 1983, convirtiéndose desde entonces en el principal impulsor de su desarrollo. TEPCO eligió la batería NaS debido a la abundancia de sus componentes (sodio, azufre y cerámica) en Japón. Las primeras pruebas de campo a gran escala se llevaron a cabo en la subestación Tsunashima de TEPCO entre 1993 y 1996, utilizando tres bancos de baterías de 2 MW   y 6,6  kV. A partir de los resultados de estas pruebas, se desarrollaron módulos de batería mejorados que se comercializaron en el año 2000. El banco de baterías NaS comercial ofrece:

• Capacidad  : 25–250 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.

Una variante de menor temperatura ^{[ 11 ]} de las baterías de sales fundidas fue el desarrollo de la batería ZEBRA (originalmente, "Zeolite Battery Research Africa"; posteriormente, "Zero Emissions Batteries Research Activity") en 1985, desarrollada inicialmente para aplicaciones en vehículos eléctricos. ^{[ 12 ] [ 13 ]} La batería utiliza NaNiCl₂ con electrolito cerámico de Na⁺-beta-alúmina. ^{[ 14 ]}

El NaNiCl_{La batería 2} funciona a245°C (473°F)y utilizatetracloroaluminato de sodio(NaAlCl  ₄ ), que tiene un punto de fusión de157°C (315°F), como electrolito. El electrodo negativo es sodio fundido. El electrodo positivo esníquelen estado descargado ycloruro de níquelen estado cargado. Debido a que el níquel y el cloruro de níquel son casi insolubles en fundidos neutros ybásicos, se permite el contacto, lo que proporciona poca resistencia a la transferencia de carga. Dado que tantoel NaAlCl  _{Dado que el sodio} y el sodio se encuentran en estado líquido a la temperatura de funcionamiento, se utiliza unacerámica de β-alúminapara separar el sodio líquido delNaAlCl_4. Los elementos primarios utilizados en la fabricación de estas baterías tienen reservas mundiales y producción anual mucho mayores que el litio. ^{[ 15 ]}

Fue inventado en 1985 por el grupo Zeolite Battery Research Africa Project (ZEBRA) en el Consejo para la Investigación Científica e Industrial (CSIR) en Pretoria, Sudáfrica . Puede ensamblarse en estado descargado, utilizando NaCl, Al, níquel y polvo de hierro. El electrodo positivo está compuesto principalmente de materiales en estado sólido, lo que reduce la probabilidad de corrosión, mejorando la seguridad. ^{[ 16 ]} 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 han demostrado vidas útiles de más de 2000 ciclos y veinte años con baterías de tamaño completo, y más de 4500 ciclos y quince años con módulos de 10 y 20 celdas. En comparación, las baterías de fosfato de hierro y litio LiFePO ₄ almacenan 90–110 Wh/kg, y las baterías de iones de litio LiCoO ₂ más comunes almacenan 150–200 Wh/kg. Una batería de nano-titanato de litio almacena 72 Wh/kg y puede proporcionar una potencia de 760 W/kg. ^{[ 17 ]}    

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. ^{[ 16 ]} Las baterías ZEBRA son fabricadas actualmente por FZSoNick ^{[ 18 ]} 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 la minería. En el pasado, se adoptó en el prototipo Smart ED y en Th!nk City . ^{[ 19 ]} En 2011, el Servicio Postal de los Estados Unidos comenzó a probar furgonetas de reparto totalmente eléctricas, una de ellas alimentada por una batería ZEBRA. ^{[ 20 ]}    

En 2010, General Electric anunció un Na-NiCl₂ batería que denominó batería de sodio-haluro metálico, 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 metálico, depósito de electrolito de fieltro de carbono y las sales activas de sodio-haluro metálico. ^{[ 21 ] [ 22 ]} En 2015, como resultado de una reestructuración global, la empresa abandonó el proyecto. ^{[ 23 ]} 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 Na-NiCl para aplicaciones industriales y de almacenamiento de energía. ^{[ 24 ]}

Cuando no se utiliza, Na-NiCl_{Normalmente, las baterías 2} se mantienen fundidas y listas para su uso porque, si se dejan solidificar, suelen tardar doce horas en recalentarse y cargarse. ^{[ 25 ]}

Las baterías de cloruro de sodio metálico son muy seguras; una fuga térmica solo se activa al perforar la batería y, en ese improbable caso, no se produce incendio ni explosión. Por esta razón, y también por la posibilidad de instalarlas al aire libre sin sistemas de refrigeración, las baterías de cloruro de sodio metálico son muy adecuadas para instalaciones de almacenamiento de energía industriales y comerciales.

Sumitomo estudió una batería que utiliza una sal fundida a 61 °C (142 °F) , mucho menor que la de las baterías de sodio, y que funciona 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 únicamente materiales no inflamables y no se incendia al contacto con el aire ni presenta riesgo de fuga térmica. Esto elimina la necesidad de almacenar calor residual o de equipos a prueba de fuego y explosiones, y permite un empaquetamiento más compacto de las celdas. La empresa 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. ^{[ 26 ]} La celda utilizaba un cátodo de níquel y un ánodo de carbono vítreo. ^{[ 27 ]}      

En 2014, investigadores identificaron una aleación líquida de sodio-cesio que funciona a 50 °C (122 °F) y produce 420 miliamperios-hora por gramo. El nuevo material fue capaz de recubrir completamente, o "humedecer", el electrolito. Después de 100 ciclos de carga/descarga, una batería de prueba mantuvo aproximadamente el 97 % de su capacidad de almacenamiento inicial. La menor temperatura de funcionamiento permitió el uso de una carcasa externa de polímero menos costosa en lugar de acero, compensando en parte el aumento del costo del cesio. ^{[ 28 ]}  

Innovenergy, con sede en Meiringen , Suiza, ha optimizado aún más esta tecnología mediante el uso de materias primas de origen nacional, a excepción del componente de polvo de níquel. A pesar de su capacidad reducida en comparación con las baterías de iones de litio , la tecnología ZEBRA es aplicable para el almacenamiento estacionario de energía solar . En 2022, la empresa puso en marcha una  instalación de almacenamiento de 540 kWh para células solares en el tejado de un centro comercial y actualmente produce más de un millón de unidades de baterías al año a partir de materiales sostenibles y no tóxicos ( sal de mesa ). ^{[ 29 ]}

El profesor Donald Sadoway del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha publicado investigaciones sobre baterías recargables de metal líquido, utilizando tanto magnesio-antimonio como, más recientemente, plomo-antimonio . Las capas de electrodo y electrolito se calientan hasta que se licúan y se autosegregan debido a su densidad e inmiscibilidad . Estas baterías pueden tener una vida útil más larga que las convencionales, ya que los electrodos experimentan un ciclo de creación y destrucción durante el ciclo de carga y descarga, lo que los hace inmunes a la degradación que afecta a los electrodos de las baterías convencionales. ^{[ 30 ]}

La tecnología se propuso en 2009 basándose en magnesio y antimonio separados por una sal fundida. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} Se eligió el magnesio como electrodo negativo por su bajo costo y baja solubilidad en el electrolito de sal fundida. Se seleccionó el antimonio como electrodo positivo debido a su bajo costo y mayor voltaje de descarga previsto.

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). ^{[ 30 ]} La desventaja de la química del Li es el mayor costo. Una celda Li/LiF + LiCl + LiI/Pb-Sb con un  potencial de circuito abierto de aproximadamente 0,9 V que opera 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 44% (y 88% a 0,14  A/cm ² ).

Los datos experimentales muestran una eficiencia de almacenamiento del 69%, con una buena capacidad de almacenamiento (más de 1000  mAh/cm² ⁾ , baja fuga (< 1  mA/cm² ⁾ y alta capacidad de descarga máxima (más de 200  mA/cm² ⁾ . ^{[ 34 ]} Para octubre de 2014, el equipo del MIT logró una eficiencia operativa de aproximadamente el 70% a altas tasas de carga/descarga (275  mA/cm² ⁾ , 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 alrededor del 85% de su capacidad inicial. ^{[ 35 ]} En septiembre de 2014, un estudio describió una disposición que utiliza 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 la fabricación de baterías de litio con un punto de fusión más bajo. Utiliza un electrolito de sal fundida basado en LiCl-LiI y funciona a 410  °C. ^{[ 36 ]}

Se ha demostrado que los líquidos iónicos son idóneos para su uso en baterías recargables. El electrolito es una sal fundida pura sin disolvente añadido, lo que se consigue utilizando una sal con una fase líquida a temperatura ambiente. Esto da lugar a una solución altamente viscosa, que normalmente se elabora con sales de gran tamaño estructural y estructuras reticulares maleables. ^{[ 37 ]}

Las baterías térmicas utilizan un electrolito sólido e inactivo a temperatura ambiente. Se pueden almacenar indefinidamente (más de 50 años) y, sin embargo, proporcionan toda su potencia al instante cuando se requiere. Una vez activadas, ofrecen un pico de alta potencia durante un breve periodo (desde unas pocas decenas de segundos hasta 60 minutos o más), con una potencia de salida que oscila entre vatios y kilovatios . Esta alta potencia se debe a la elevada conductividad iónica de la sal fundida (lo que resulta en una baja resistencia interna), que es tres órdenes de magnitud (o más) mayor que la del ácido sulfúrico de una batería de plomo-ácido para automóviles .

Un diseño utiliza una tira de mecha (que contiene cromato de bario y polvo de circonio metálico en un papel cerámico) a lo largo del borde de las pastillas calefactoras para iniciar la reacción electroquímica. La tira de mecha se activa normalmente mediante un detonador eléctrico o un petardo que se acciona con una corriente eléctrica.

Otro diseño utiliza un orificio central en el medio del conjunto 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) en comparación con los cientos de milisegundos del diseño de tira de borde. La activación de la batería se puede lograr mediante un cebador de percusión , similar a un cartucho de escopeta . La fuente de calor debe ser sin gas. La fuente de calor estándar generalmente consiste en mezclas de polvo de hierro y perclorato de potasio en proporciones de peso de 88/12, 86/14 o 84/16. ^{[ 38 ]} Cuanto mayor sea el nivel de perclorato de potasio, mayor será la salida de calor (nominalmente 200, 259 y 297 cal / g respectivamente). Esta propiedad de almacenamiento no activado tiene el doble beneficio de evitar el deterioro de los materiales activos durante el almacenamiento y eliminar la pérdida de capacidad debido a la autodescarga hasta que la batería se active. 

En la década de 1980, los ánodos de aleación de litio reemplazaron a los de calcio o magnesio , con cátodos de cromato de calcio , óxidos de vanadio o tungsteno . Se prefieren las aleaciones de litio- silicio a las anteriores aleaciones de litio-aluminio. 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 suele ser una mezcla eutéctica de cloruro de litio y cloruro de potasio .

Más recientemente, también se han utilizado otros electrolitos eutécticos de menor punto de fusión, basados ​​en bromuro de litio , bromuro de potasio y cloruro de litio o fluoruro de litio , para proporcionar una mayor vida útil; además, 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 utiliza para aplicaciones de alta potencia debido a su elevada conductividad iónica. Un generador térmico de radioisótopos , como por ejemplo en forma de pastillas de ⁹⁰ SrTiO ₄ , puede utilizarse para suministrar calor a largo plazo a la batería tras su activación, manteniéndola en estado fundido. ^{[ 39 ]}

Las baterías térmicas se utilizan casi exclusivamente para aplicaciones militares, especialmente para armas nucleares ^{[ 40 ]} y misiles guiados . ^{[ 41 ] [ 42 ]} Son la principal fuente de energía para muchos misiles como el AIM-9 Sidewinder , AIM-54 Phoenix , MIM-104 Patriot , BGM-71 TOW , BGM-109 Tomahawk y otros. En estas baterías, el electrolito se inmoviliza al fundirse mediante un grado especial de óxido de magnesio que lo mantiene en su lugar por acción capilar . Esta mezcla en polvo se comprime en pastillas para formar un separador entre el ánodo y el cátodo de cada celda en el conjunto de la batería. Mientras el electrolito (sal) esté sólido, la batería es inerte y permanece 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.