Un equipo de investigación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Alemania ha observado directamente, por primera vez, procesos de envejecimiento previamente ocultos en baterías de sales fundidas de sodio-zinc. Para ello, han utilizado radiografía de rayos X operando para obtener imágenes de las celdas mientras operan activamente a unos 600 grados Celsius. Esta tecnología se ha considerado durante mucho tiempo muy prometedora para el almacenamiento estacionario de energía, dado el bajo costo y la disponibilidad de sus materias primas, pero hasta la fecha no ha logrado la estabilidad necesaria para su implementación en el mundo real.
La temperatura de funcionamiento extrema es, en cierto sentido, una ventaja: los metales son líquidos a esas temperaturas y pueden transportarse excepcionalmente rápido dentro de la celda. Sin embargo, ese mismo dinamismo dificulta el control de los sistemas, y hasta ahora no se ha comprendido claramente por qué las celdas pierden tanto rendimiento durante el funcionamiento, según Norbert Weber, investigador del HZDR y coordinador del proyecto europeo SOLSTICE, en el marco del cual se investigan sistemáticamente diversos conceptos de almacenamiento de sodio y zinc.
Anteriormente, esa pérdida de eficiencia y vida útil solo se podía inferir indirectamente. Las mediciones electroquímicas convencionales capturan la corriente y el voltaje, pero no pueden ofrecer una imagen completa de lo que ocurre dentro de una celda. El problema se agrava por la propia naturaleza de la tecnología.
“Nuestra batería es completamente líquida. Lo que ocurre en su interior es muy dinámico”, explica Martins Sarma, autor principal del estudio. Una celda no puede simplemente abrirse a mitad de su funcionamiento, y si se deja enfriar, «las estructuras cambian fundamentalmente», lo que significa que cualquier análisis post mortem pierde el objetivo.
Imágenes de rayos X a 600 grados Celsius
La radiografía de rayos X operando evita este problema por completo, permitiendo al equipo seguir el proceso de carga y descarga en tiempo real, a plena temperatura de funcionamiento. Los investigadores esperan que los resultados marquen el camino hacia nuevos diseños de celdas simplificados, adecuados para el almacenamiento a gran escala.
Las imágenes permitieron visualizar directamente los movimientos del sodio, el zinc y el electrolito, y proporcionaron una visión inesperadamente clara de un componente en particular: el separador. Esta barrera porosa entre los electrodos está diseñada para evitar que el sodio y el zinc entren en contacto directo y desencadenen reacciones secundarias no deseadas. Sin embargo, las imágenes de rayos X revelaron que, en condiciones de funcionamiento, el zinc se acumula progresivamente en la región del separador, donde pierde contacto eléctrico con el electrodo.
Radiografía de rayos X de una celda de sodio-zinc con ánodo de sodio (parte superior de la celda, área brillante alrededor del cable negro), diafragma (franja brillante en el centro de la celda) y cátodo de zinc (círculos negros en la base).
Imagen: Martins Sarma, Natalia Shevchenko
«Se puede imaginar como un tamiz en el que el material queda atrapado», afirma Natalia Shevchenko, quien trabaja en el almacenamiento de energía electroquímica y su análisis en el HZDR. «Con el tiempo, se pierde cada vez más zinc activo». Este mecanismo, por primera vez, ofrece una explicación física clara de por qué estas celdas envejecen tan rápido.
Sin embargo, aún no se ha encontrado una solución sencilla. Retirar el separador impide que el zinc quede atrapado, pero sin él, el sodio y el zinc interactúan con mucha más libertad, acelerando la autodescarga de la batería. El equipo se centra ahora en mejorar el diseño de la celda para controlar mejor el transporte de sustancias entre las fases líquidas, sin introducir componentes complejos o costosos de producir. El objetivo, en última instancia, es lo que Weber describe como “soluciones robustas, simples y económicas”, la combinación que finalmente haría viable el despliegue a gran escala de la tecnología.
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