Quimica ¿Qué son las baterías de sodio?

Introducción

En la siguiente investigación tendremos claros que es una batería de sodio en que servirá para que servirá cuáles serán sus desventajas además de sus ventajas, veremos por qué será más apropiada realizar y utilizar estas baterías en cambio a las otras. En el trabajo que se presenta a continuación se verá un poco de Una vida más larga y una mayor capacidad de una batería podría ser el caballo de batalla de una red de energías renovables son los objetivos de un estudio dirigido por el doctor George Nelson, un profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH), sobre el efecto de los ciclos de carga en la estructura de los ánodos en las baterías de ion sodio. 

Objetivos

• Tener conciencia de las nuevas baterías

• Saber el ¿Por qué de las baterías?

• Tener un bienestar

• Impedir más la contaminación

Planteamiento del problema

• ¿Qué son las baterías de sodio?

• ¿Cuáles son las ventajas de la batería de sodio?

• ¿Cuál es la utilidad de la batería de sodio?

• ¿Por qué podrán sustituir al petróleo blanco?

Marco teórico

¿Qué son las baterías de sodio?

Los materiales activos en este tipo de baterías son el azufre fundido como cátodo y el sodio fundido como ánodo. Dichos electrodos se encuentran separados por un material cerámico en estado sólido que sirve de electrolito, a través de éste pasan únicamente los iones de sodio con carga positiva. Durante la descarga los electrones salen del sodio metal, dando lugar a la formación de iones de sodio con carga positiva que pasan a través del cerámico al electrodo positivo. Los electrones que salen del sodio metal se mueven a través del circuito y vuelven de nuevo a la batería a través del electrodo positivo, donde son absorbidos por el azufre fundido para formar polisulfuro. Los iones de sodio con carga positiva desplazados al electrodo positivo equilibran el flujo de carga de los electrones. Durante la carga, el proceso es el inverso del descrito

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Estas baterías necesitan un aporte de calor para mantenerse a temperaturas superiores a 300ºC, lo cual supone que los sistemas encargados de aportar este calor se consideran parte integrante de la propia batería. Tienen un estado mínimo de carga del 10%, con un rendimiento del 80 %, y con un total de 4500 ciclos equivalentes como vida útil. Sus costes de adquisición están en los 285 €/kWh y los costes de operación y mantenimiento están en torno a los 3 €/kWh. Cabe destacar que esta tecnología aún se encuentra en una fase de desarrollo. Empresas japonesas como TEPCO y NGK Insulators llevan 25 años desarrollando esta tecnología. Actualmente el único fabricante de este tipo de baterías es la empresa “NSK Insulators”, de manera que no existen muchas instalaciones que utilicen esta tecnología por ahora. La mayor instalación de baterías de sodio sulfura se encuentra actualmente en un parque eólico de 51 MW en Japón, la cual tiene una capacidad de 12 MWh (2MW en 6 horas)[pic 2]

Con una subvención de 233,000 dólares de tres años de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), el equipo utilizará la difracción de rayos X y las imágenes de rayos X multiescala para estudiar los cambios en la microestructura de los ánodos basados ​​en estaño, también conocidos como electrodos negativos. Eso afecta la longevidad y la capacidad de almacenamiento de la batería. 

"Al igual que con la mayoría de las baterías, existe el deseo de aumentar la capacidad de las baterías de iones de sodio. Desafortunadamente, los materiales de las baterías de alta capacidad como el estaño se expanden mucho cuando están completamente cargados de sodio", explicó el Dr. Nelson. 

"Estamos utilizando una combinación de experimentos y modelos numéricos para comprender exactamente cómo estos cambios afectan el rendimiento de la batería, de modo que los futuros ingenieros de baterías puedan diseñar los materiales y las microestructuras para hacer mejores baterías de iones de sodio", dijo. 

Los experimentos incluyen pruebas electroquímicas, difracción de rayos X para caracterizar la estructura cristalina de los materiales de los electrodos y en la tomografía de rayos X operando. Estos métodos experimentales se combinarán con estudios computacionales de mesoescala de microestructuras de electrodos de baterías de iones de sodio. La investigación proporcionará información sobre las interacciones entre la microestructura, la química y el rendimiento de las baterías de ion de sodio. 

 Aunque no son ideales para aplicaciones portátiles como electrónica móvil o vehículos eléctricos, las baterías de ión de sodio se adaptan bien a aplicaciones estacionarias como el almacenamiento de electricidad producida por energía solar y eólica. La subvención actual es la tercera que la NSF ha otorgado al Dr. Nelson desde 2014, por un total de aproximadamente $ 950,000.

 La investigación también es importante porque una amplia gama de aplicaciones y preocupaciones sobre el abastecimiento y la eliminación podrían limitar el litio como materia prima de la batería en el futuro.

"Las baterías de iones de litio son excelentes para el almacenamiento de energía, especialmente en aplicaciones móviles como teléfonos, computadoras portátiles y automóviles eléctricos", dijo el Dr. Nelson. "Sin embargo, si creamos una flota de vehículos eléctricos, continuamos con la expansión de la electrónica móvil y construimos baterías de gran escala basadas en tecnología de iones de litio, podríamos ejercer una gran presión sobre los suministros globales de litio. El sodio es abundante en la Tierra y las baterías de iones de sodio tienen energía densidades que son adecuadas para el almacenamiento a escala de red". 

Además, se han desarrollado baterías de iones de sodio que podrían descomponerse y desecharse en un relleno sanitario estándar, aliviando un problema de eliminación de residuos peligrosos inherente al litio. 

¿Cuáles son las ventajas de la batería de sodio?

Lo más importante es que el sodio es un elemento que se encuentra en grandes cantidades pero que a su vez es muy estable. La segunda característica vital está relacionada con la seguridad en la operación de el montaje y en el transporte. Esto último significa que puede ser enviada por vía aérea completamente descargada sin que se produzcan alteraciones que la deterioren.

Los responsables afirman que no tanto el precio sino la disponibilidad serán cruciales en los próximos años cuando bicicletas, motos, camiones, coches... requieran baterías de alta capacidad y elementos como el litio o el niquel puedan escasear convirtiendo a las baterías en objetos de casi lujo. El sodio elimina esto, por lo que el hecho de que ahora sean más baratas no es tan importante como que en el futuro podrán disfrutar de unos precios más estables, algo que la industria del automóvil necesita.

En la actualidad, Faradion se encuentra en fase de pruebas y ya tiene baterías en las que tras 400 ciclos de carga al 80% de su capacidad, ésta se reduce en un 5%, un margen de error todavía muy amplio, pero que esperan solucionar al avisar que su objetivo puede estar en llegar a baterías con capacidades de 700 Wh/kg. Ahora mismo su límite está en los 126 Wh/kg, parecido a la competencia, pero con la baza de un precio más reducido.

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¿Cuál es la utilidad de la batería de sodio?

A principios de la década de los años 80, las investigaciones en materia de baterías para dispositivos electrónicos se centraban en el sodio. Sin embargo, los trabajos  fueron descartándolo poco a poco en favor del litio, debido a que los estudios indicaban que con una tensión de 3,5V era capaz de proporcionar mucha más energía. Otra de las ventajas añadidas era el peso: los iones de litio son más ligeros que los de sodio, lo que contribuía a aligerar las baterías.

¿Cuál es la desventaja del litio? Su escasez y su localización, en muy pocos puntos del planeta como China, Colombia, Chile… algo que, en cambio, no sucede con el sodio, que es muy abundante a lo largo de la corteza terrestre. Por ponerle cifras, mientras que sólo el 0,06% del litio se encuentra en la corteza terrestre, en el caso del sodio la cifra se sitúa en el 2,6%. No sólo eso, sino que el sodio también se encuentra en el agua del mar, en forma de cloruro de sodio. En cuanto a los costes, imaginen, mientras que el precio de la tonelada de litio ronda los 15.000 dólares, el de la tonelada de sodio es de unos 150 dólares.

Así las cosas y viendo la gran demanda en ciernes con la adopción cada vez más masiva del vehículo eléctrico, el experto francés Jean-Marie Tarascon retomó las investigaciones con sodio hace unos seis años. De esta manera, en Francia existe una red de investigadores y fabricantes (entre los que hay compañías como Renault, Saft y Alstom), bautizada como RS2E, que acaba de presentar el primer prototipo de baterías de iones de sodio.

Europa no quiere perder de nuevo el tren de las baterías. A fin de cuentas, y como recuerda Tarascon, toda la investigación básica de las baterías de litio se realizó en Europa, sobre todo en Francia. ¿Qué sucedió entonces para que a día de hoy el 95% de la producción de baterías de litio tenga lugar en Asia? Que la transferencia tecnológica se llevó a cabo en Japón, lo que dio pie a que fuera Sony la que lanzara la primera batería de litio en 1991.

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