El proyecto DIONBATENER busca desarrollar baterías eléctricas alternativas a las basadas en litio, reduciendo los costes asociados al almacenamiento de energías renovables para contribuir a la transición energética
En la actualidad existe un consenso a nivel mundial sobre la necesidad de reducir al máximo las emisiones contaminantes asociadas a nuestro modelo productivo y energético. De este modo, estamos inmersos en una transición energética con el objetivo de pasar del modelo energético basado en el consumo de combustibles fósiles a otro en el que se priorice el uso de fuentes renovables, como la energía solar o la energía eólica, para producir energía eléctrica; así como la sustitución del vehículo de combustión por el vehículo eléctrico. Sin embargo, la producción de energía eléctrica a partir de fuentes renovables lleva un problema asociado a la naturaleza discontinua y estocástica de las mismas. Por lo tanto, toda planta de generación de energía eléctrica que utilice una fuente renovable debe llevar asociado un sistema de almacenamiento de energía a gran escala (ESS, del inglés Energy Storage Systems) que permita un aprovechamiento más eficaz de este tipo de energía.
Dentro de la gran cantidad de aplicaciones que tienen las baterías eléctricas, también se encuentra su utilización como ESS, siendo, hasta el momento, las baterías de ion-litio (BIL) las más adecuadas para este uso debido a sus prestaciones en cuanto a energía, potencia, vida útil y seguridad. En el presente, existen en el mundo cerca de 500 instalaciones de generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables que utilizan BIL como ESS, las cuales suponen un total de 1,7 GW, es decir, tan solo el 1 % aproximado del total de la potencia procedente de diferentes ESS (centrales hidroeléctricas, almacenamiento térmico, volantes de inercia, etc.). La mayor desventaja de este tipo de baterías es su coste, que varía en el rango 480-2.000 €/kWh (dependiendo de los materiales usados), siendo el valor rentable de un ESS inferior a 200 €/kWh. En este sentido, el elevado coste de las BIL se debe principalmente a los compuestos de litio usados tanto en el cátodo como en la sal del electrolito. Con todo ello, se está haciendo un gran esfuerzo para desarrollar otro tipo de baterías que supongan un menor coste, aunque sus prestaciones sean inferiores, ya que, desde el punto de vista del almacenamiento de energía a gran escala, el factor clave es el coste de la energía almacenada.
Actualmente, las conocidas como baterías de doble ion, o baterías duales, han suscitado un gran interés a nivel científico, ya que permiten el uso de materiales de carbono en ambos electrodos, siendo el electrolito una sal de litio o de sodio disuelta en disolventes orgánicos. El fundamento de estas baterías se basa en la intercalación durante la carga del anión y el catión del electrolito en el ánodo y el cátodo, respectivamente; mientras que durante la descarga ocurre el proceso inverso, de tal manera que los iones vuelven al electrolito. En ambos casos, la compensación de la carga ocurre mediante el flujo de electrones a través del sistema al cual esté conectada la batería. Por lo tanto, la energía y capacidad de este tipo de baterías viene dada por los iones de la sal del electrolito. Concretamente, el proyecto DIONBATENER se ha centrado en baterías que utilizan sales de sodio en el electrolito, es decir, baterías de doble ion Na+/anión. Este tipo de baterías presenta ventajas tanto económicas como medioambientales. Así, el sodio es un elemento mucho más abundante que el litio, y a ello hay que unir el menor precio de los compuestos de sodio. Por ejemplo, los carbonatos de litio y de sodio tienen un precio de, aproximadamente, 6,350 €/t y 120 €/t, respectivamente. Además, la utilización de sodio en lugar de litio permite el uso de aluminio como colector de corriente en el ánodo en lugar del cobre habitualmente usado en BIL ya que, a diferencia de lo que ocurre con el litio, el sodio no forma aleación con el aluminio, siendo este último un metal mucho más barato que el cobre.
Este tipo de baterías ha suscitado un gran interés a nivel científico ya que presenta ventajas tanto económicas como medioambientales
Para la consecución de los objetivos marcados en este proyecto está siendo necesaria la optimización de los tres componentes fundamentales de cualquier batería eléctrica. Estos son ánodo, cátodo y electrolito, partiendo de la base de que los materiales principales de ambos electrodos son materiales de carbono y de que el electrolito está formado por una sal de sodio disuelta en una mezcla de disolventes orgánicos. Como materiales de carbono se están estudiando grafitos, nanofibras, xerogeles y espumas. Como electrolito se están empleando disoluciones de la sal NaPF6 en diferentes mezclas de disolventes orgánicos (carbonatos de alquilo). En cuanto a los electrodos, un aspecto muy importante a tener en cuenta es que, además del material de carbono, necesitan un aditivo conductor (habitualmente se emplea otro material de carbono conocido como carbon black), que aumenta la conductividad eléctrica del mismo, y un aglomerante, que mejora la resistencia mecánica y la adherencia del electrodo al colector. En este proyecto se están utilizando biopolímeros hidrosolubles como aglomerantes, los cuales permiten la utilización de agua en el proceso de preparación de los electrodos en lugar de los habituales disolventes orgánicos, con las consiguientes ventajas económicas y medioambientales que conlleva. El objetivo final es elaborar un prototipo pouch cell de batería de doble ion Na+/anión con una energía y potencia superiores a 100 Wh/kg y 100 W/kg, respectivamente, una vida útil mínima de 500 ciclos y cuyo coste de la energía almacenada sea inferior a 200 €/kWh.
En definitiva, este proyecto persigue desarrollar baterías eléctricas alternativas a las basadas en litio, que reduzcan los costes asociados al almacenamiento de energías renovables y que tenga menor impacto ambiental en su preparación, uso y posterior reciclado. Que reduzcan, en último término, la huella energética y contribuyan a la transición energética.
El proyecto DIONBATENER (Baterías de doble ion Na+/anión para el almacenamiento sostenible de energía renovable) se enmarca en la segunda edición del programa ComFuturo, dentro de la línea específica de sistemas energéticos sostenibles. ComFuturo es una iniciativa de colaboración público-privada de la Fundación General CSIC con destacadas entidades, tales como Banco Santander, Acerinox, Fundación Cepsa, Naturgy, Fundación Domingo Martínez y Suez, que promueve el fortalecimiento de la carrera científica de investigadores en su etapa postdoctoral con el objetivo de su consolidación. Además, les permite liderar un proyecto de investigación con un amplio potencial de aplicación, es decir, con grandes posibilidades de transferir los resultados obtenidos al mercado. DIONBATENER se está llevando a cabo en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR), centro de investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), situado en Oviedo (Asturias). Específicamente, el proyecto se está desarrollando en el grupo Materiales de Carbono para Aplicaciones en Catálisis, Energía y Medio Ambiente (MATENERCAT), dirigido por la Dra. Ana Beatriz García Suárez, investigadora científica del CSIC. Su fin último es desarrollar un tipo de baterías altamente innovadoras que permitan reducir el coste de la energía almacenada y que, por tanto, sean adecuadas para el almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables.
Autor.- Ignacio Cameán Martínez. Investigador ComFuturo responsable del proyecto DIONBATENER. Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR-CSIC)
