Celdas de Combustible de Sodio‑Aire Acercan el Vuelo con Baterías a la Realidad

Researchers from MIT and other lending institutions unveiled a sodium-air fuel cell design capable of powering aircraft. The revolutionary concept provides higher energy density while naturally capturing atmospheric carbon dioxide. Here’s how sodium-air fuel cells could revolutionize air travel in the years to come.

Desafíos de las Baterías en la Aviación

Mientras los vehículos eléctricos siguen convirtiéndose en la norma, el sector de la aviación no ha experimentado tal crecimiento. Existen algunas opciones, pero son embarcaciones personales, limitadas a solo unos pocos pasajeros. La razón principal de esta falta de crecimiento es que la tecnología de baterías aún no ha cumplido los criterios necesarios para alimentar aviones comerciales. Las baterías de iones de litio actuales son pesadas, y la cantidad necesaria para impulsar un avión requiere demasiadas celdas para ser viable.

La Brecha de Potencia en la Aviación Eléctrica

Para lograr vuelos impulsados por baterías, los ingenieros deben elevar las baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos actuales de 300 vatios‑hora por kilogramo a 1.000 vatios‑hora por kilogramo. Triplicar la densidad de potencia de las baterías de iones de litio no es posible, pero han comenzado a surgir otras opciones.

Baterías Metal‑Aire: Alta Energía, Baja Recargabilidad

Las baterías metal‑aire, como las de litio‑aire o sodio‑aire, han sido investigadas exhaustivamente durante las últimas décadas. Poseen mayor densidad, pero también presentan serios problemas en cuanto a la recarga. La reacción química de las baterías de metales alcalinos‑aire produce productos de descarga sólidos, que son difíciles de eliminar, lo que vuelve a las unidades obsoletas después de solo unos pocos ciclos. Afortunadamente, este escenario podría cambiar.

El Avance de la Celda de Combustible Sodio‑Aire

Investigadores del MIT, junto a científicos de distintas instituciones, han presentado una tecnología de celda de combustible de sodio‑metal que podría ayudar a aliviar los problemas anteriores y abrir una nueva era en energía portátil limpia.
The study Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power publicado en la revista Joule, profundiza en una celda de combustible de sodio‑metal‑aire líquida especialmente diseñada. La celda de combustible integra una membrana de electrolito sólido que permite a la batería ajustar la humedad y el flujo de aire para mejorar el rendimiento.

Cómo las Celdas de Combustible Sodio‑Aire Diferen de las Baterías Tradicionales

Una celda de combustible funciona como una batería, con la principal diferencia de que el material que produce energía se reemplaza. Este diseño es ideal para los viajes porque elimina la necesidad de recargar. En su lugar, las baterías se reabastecen.
El electrodo usado se envía a la fábrica para ser procesado, recargado y devuelto para su reutilización. En este caso, se utiliza sodio. Tiene un punto de fusión bajo de 98 grados Celsius, lo que lo hace ideal para el reabastecimiento de bajo costo.

Dentro del Diseño de la Celda de Combustible Sodio‑Aire

La celda de combustible sodio‑aire utiliza sodio metálico líquido, común y económico, ubicado en un lado de la unidad. En el otro lado hay una cámara de aire abierto. Entre las dos capas se encuentra un electrolito. El electrolito tiene una estructura porosa en el lado expuesto al aire, lo que permite que los iones de sodio pasen libremente y reaccionen con el O2, generando electricidad.

Prototipos y Diseño del Cartucho de la Celda de Combustible

Los ingenieros crearon dos prototipos probables. Ambas versiones usaron el mismo enfoque para producir energía. Sin embargo, una fue diseñada para colocarse horizontalmente. Ambas utilizaron un cartucho recargable que se llenó con sodio metálico líquido y luego se selló.

Fuente – Joule

Diseño H‑Cell: Cómo Funciona

El prototipo de H‑cell se asemejaba a la letra H con dos tubos de vidrio verticales conectados por un tubo central lleno de electrolito sólido. El tubo central utiliza un material cerámico de electrolito y un electrodo de aire poroso para crear una reacción electroquímica entre el sodio metálico líquido y el oxígeno, consumiendo el combustible de sodio. El segundo diseño es similar a la H, pero la base fue modificada. Esta configuración usa una bandeja del material electrolito que se coloca sobre un electrodo de aire poroso.

Curiosamente, el subproducto de estas reacciones se combina con el aire ambiente para crear carbonato de sodio. A través de varias otras reacciones químicas naturales, las emisiones se convierten en bicarbonato de sodio, también conocido como bicarbonato de sodio de hornear.

Este bicarbonato de sodio es beneficioso para el medio ambiente. Cuando se agrega a los océanos, puede ayudar a desacidificar el agua. Añadiendo otra capa de poder de limpieza al diseño de la celda de combustible.

El Papel de la Humedad en la Eficiencia de la Celda de Combustible

Un descubrimiento clave que sorprendió a los investigadores fue el efecto global de la humedad en el proceso. Los ingenieros observaron que la cantidad de humedad en el aire tenía un gran impacto en la reacción electroquímica.
Notaron que la humedad era útil porque generaba una descarga de sodio en forma líquida. Este hallazgo les permitió eliminar los residuos sólidos de la batería, que son mucho más difíciles de retirar para los propósitos de recarga. El residuo líquido podía expulsarse fácilmente usando aire presurizado, reduciendo costos.

Pruebas de la Celda de Combustible Sodio‑Aire

Los ingenieros realizaron varias pruebas para verificar sus teorías. Utilizaron flujos de aire precisos y humedad controlada para explorar diferentes enfoques y optimizar el rendimiento. Sus resultados fueron reveladores, con el nuevo diseño de celda de combustible superando a todos los diseños de baterías anteriores.

Resultados: 3X Densidad de Energía Sobre el Litio‑Ion

Los ingenieros estaban entusiasmados al ver que su creación superaba a las baterías tradicionales por más de 3 veces. Registraron una densidad de energía a nivel de pila de 1.200 Wh/kg a 80 mA/cm2.  Este rendimiento solo requirió un grosor de 2,3 cm de sodio metálico para mantener una operación continua.

Beneficios de las Celdas de Combustible Sodio‑Aire

Muchos beneficios hacen que las baterías sodio‑aire sean un fuerte competidor para aplicaciones futuras. En primer lugar, tienen costos mucho más bajos. Las baterías de litio‑ion son caras de fabricar y son pesadas. Además, generan muchos residuos. El uso de sodio metálico es mucho más barato. Además, EE. UU. tiene una historia de producción masiva de este material, ya que se usa como aditivo en el plomo tetraetílico.

Ventajas de la Densidad de Energía

La batería sodio‑aire ofrece 3 veces la relación peso‑potencia de los sistemas tradicionales de litio‑ion. Esta mayor densidad de potencia abre la puerta a su uso en aplicaciones sensibles al peso. La energía adicional también significa que las baterías pueden fabricarse más pequeñas y con mejor ajuste para satisfacer las necesidades de los diseñadores futuros.

Seguridad Mejorada Sobre el Litio‑Ion

Otro beneficio de las baterías sodio‑aire es que son mucho más seguras que las baterías de litio‑ion. Internet está lleno de historias de baterías de litio‑ion que se incendian y explotan debido a una fuga térmica. Las baterías sodio‑aire tienen mucho menos riesgo de fuga térmica, principalmente porque un lado está solo lleno de aire, a diferencia de dos reactantes, como en otros diseños.

Beneficios Ambientales y Subproductos de Limpieza del Aire

Uno de los principales beneficios de las baterías sodio‑aire es que son mucho más limpias. Su subproducto reacciona químicamente de forma natural con los contaminantes y los convierte en químicos útiles. Este enfoque es más sostenible que las baterías de litio‑ion, que ya están generando problemas de vertederos a medida que envejecen.

Casos de Uso del Mundo Real y Cronograma de Comercialización

Existen varios usos para las baterías sodio‑aire. Estas baterías ofrecen alta densidad de energía a bajo costo. Su diseño ligero las hace ideales para aplicaciones en camiones comerciales, desde transporte de carga hasta trenes, barcos y aviación.

Aviación: El Objetivo Principal para las Celdas de Combustible Sodio‑Aire

Las baterías sodio‑aire podrían ayudar a inaugurar la era de los aviones eléctricos. Estos dispositivos podrían utilizar bandejas de celda de combustible reemplazables para impulsar viajes globales y más. Los ingenieros describieron un concepto en el que el subproducto de las celdas de combustible sale del avión a través de su escape tradicional, permitiendo que la nave limpie el aire mientras viaja.

Cronograma y Perspectiva Comercial

Los investigadores están ansiosos por llevar esta tecnología al sector comercial lo antes posible. Ya han creado una empresa llamada Propel Aero para ayudar a asegurar financiación y llevar el concepto al mercado. Según los ingenieros, su objetivo es producir una celda de combustible del tamaño de un ladrillo capaz de proporcionar de manera fiable 1.000 vatios‑hora de energía a drones comerciales de gran tamaño.

Investigadores de la Celda de Combustible Sodio‑Aire

El estudio de la celda de combustible sodio‑aire fue presentado por Karen Sugano, Sunil Mair,  Saahir Ganti-Agrawal, Yet‑Ming Chiang, Alden Friesen, Kailash Raman, William Woodford, Shashank Sripad y Venkatasubramanian Viswanathan.  El proyecto recibió apoyo financiero de Breakthrough Energy Ventures,  la National Science Foundation y ARPA‑E.

Invertir en el Sector de Baterías

Hay una carrera por ofrecer al mundo mejores baterías, y los fabricantes continúan asumiendo el reto con nuevas soluciones. El mundo es inalámbrico, y las baterías son sus sustitutos. Como tal, la tecnología de baterías se ha convertido en una de las tecnologías más innovadoras. Aquí hay una empresa que lidera esa iniciativa.

Enovix Corp.

Enovix Corp (ENVX ) ingresó al mercado en 2006 y tiene su sede en Fremont, California. Los fundadores de la empresa, Harold Jones Rust III, Ashok Lahiri y Murali Ramasubramanian, querían crear una batería de litio‑ion más eficiente para alimentar vehículos eléctricos y otras tecnologías avanzadas. Desde su lanzamiento, Enovix ha mantenido un espíritu pionero.