Un grupo de investigación liderado por científicos de la Universidad Purdue, en el estado de Indiana, ha fabricado una célula de bolsa de batería de sodio-ion (SIB, por sus siglas en inglés) utilizando componentes compatibles con temperaturas extremadamente bajas y la probó bajo condiciones rigurosas mientras se encontraba conectada a fuentes de energía renovable. La tecnología SIB se considera una alternativa más sostenible a las baterías convencionales de ion de litio, ya que los compuestos de sodio son más abundantes.
“Nuestra investigación presenta la primera evaluación práctica y demostración en campo de una célula de bolsa de batería de sodio-ion operando en condiciones ultra bajas de temperatura, demostrando su estabilidad para el almacenamiento de energía eólica y solar hasta -100 °C”, explicó el autor correspondiente Vilas G. Pol a pv magazine. “Al utilizar un ensamblaje tipo bolsa similar al comercial y mostrar rendimiento en condiciones extremas, el trabajo abre el camino para el despliegue de sistemas sostenibles de almacenamiento de energía en baterías en climas rigurosos y aplicaciones espaciales”.
El ánodo del SIB estaba compuesto por carbono duro (HC) con 90% de material activo, mientras que el cátodo estaba hecho de fosfato de vanadio y sodio, Na₃V₂(PO₄)₃ (NVP), con 85% de material activo. Se apilaron varias capas de estos materiales con un separador de polipropileno (Celgard 2500) y se aseguraron con cinta adhesiva. Se soldaron lengüetas de aluminio a los electrodos, y el apilamiento se encerró en una bolsa de aluminio recubierta de polímero. Tras sellar tres lados, los investigadores rellenaron el lado abierto con electrolito dentro de una caja de guantes con argón. El electrolito era una solución de 1 M de NaPF₆ en una mezcla 1:1 de tetrahidrofurano (THF) y 2-metiltetrahidrofurano (2-MeTHF).
Para las pruebas de laboratorio, el equipo construyó un sistema de temperaturas extremadamente bajas (ELTS) enfriado con nitrógeno líquido (LN₂). Un controlador de temperatura regulaba el flujo de LN₂ para mantener la temperatura de la placa refrigerante. Se utilizó gas argón para purgar la humedad, y el sistema fue envuelto y rellenado con Fiberfrax para mayor aislamiento. Las pruebas incluyeron espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y mediciones de carga-descarga galvanostática (GCD).
En las primeras evaluaciones, las celdas de bolsa SIB se ciclaron entre 2,5 y 3,8 V a temperatura ambiente (25 °C), –25 °C y –50 °C. La energía específica lograda fue aproximadamente 96 Wh/kg a temperatura ambiente, 74 Wh/kg a –25 °C y 46 Wh/kg a –50 °C. En otro montaje de laboratorio, el equipo conectó el SIB a un pequeño generador eólico para simular la generación renovable, utilizando un ventilador de mesa para proporcionar flujo de aire. En estas condiciones, la celda entregó 85 Wh/kg, 47 Wh/kg y 39 Wh/kg a temperatura ambiente, –25 °C y –50 °C, respectivamente.
Los investigadores también probaron el conjunto turbina eólica–batería en exteriores en West Lafayette, Indiana, donde las temperaturas rondaban los –10 °C. “Esto respalda nuestras mediciones de laboratorio sobre el desempeño de carga-descarga del SIB a muy baja temperatura”, informó el grupo. En un experimento final, volvieron al laboratorio para operar el SIB a –100 °C mientras lo acoplaban a una celda solar de silicio policristalino, en condiciones similares a las que se encuentran en entornos espaciales. En este montaje, el SIB logró valores de energía específica de hasta 76 Wh/kg.
“El estudio demostró que, al emplearse para almacenamiento de energía solar, la celda de bolsa de sodio-ion mantuvo una notable estabilidad y entregó una energía específica de aproximadamente 70 Wh/kg a esta temperatura sumamente desafiante—una capacidad esencial para aplicaciones como misiones en el espacio profundo o climas muy fríos y rigurosos”, afirmó Pol. “Balancear la dinámica voltaje-corriente entre la celda solar—cuya eficiencia aumenta a medida que la banda prohibida del silicio se amplía en el frío—y la batería a bajas temperaturas, representa un desafío significativo, pero los estudiantes lograron hacerlo de manera efectiva”.
Pol agregó que el equipo ya explora otras combinaciones de celdas solares y baterías adecuadas para ambientes extremos. “Ya hemos realizado más actividades con diferentes celdas solares y su acoplamiento con otros tipos de baterías. Esta investigación de seguimiento amplía el alcance de nuestros hallazgos originales al investigar nuevas combinaciones, como celdas solares de perovskita de alta eficiencia acopladas con otras químicas de baterías sostenibles”, señaló.
Sus conclusiones se publicaron en “Evaluating sodium-ion pouch cell battery for renewable energy storage under extreme conditions” (Evaluando la celda de bolsa de sodio-ion para almacenamiento de energía renovable bajo condiciones extremas), en Communications Chemistry. Además de los científicos de la Universidad Purdue, participaron investigadores del Consejo de Investigación Científica e Industrial (CSIR) – Laboratorio Nacional de Química (NCL) de India.
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