Una célula H modificada con electrodos y una membrana cerámica que conduce iones para realizar experimentos de celdas de combustible de aire sodio. Crédito: Gretchen Ertl
Las baterías están llegando a sus límites en términos de cuánta potencia pueden almacenar para un peso dado. Ese es un obstáculo serio para la innovación energética y la búsqueda de nuevas formas de alimentar aviones, trenes y barcos. Ahora, los investigadores del MIT y en otros lugares han presentado una solución que podría ayudar a electrificar estos sistemas de transporte.
En lugar de una batería, el nuevo concepto es un tipo de celda de combustible que es similar a una batería pero que se puede repostar rápidamente en lugar de recargarse. En este caso, el combustible es metal de sodio líquido, un producto económico y ampliamente disponible.
El otro lado de la célula es solo aire ordinario, que sirve como fuente de átomos de oxígeno. En el medio, una capa de material cerámico sólido sirve como electrolito, lo que permite que los iones de sodio pasen libremente, y un electrodo poroso orientado al aire ayuda al sodio a reaccionar químicamente con oxígeno y producir electricidad.
En una serie de experimentos con un dispositivo prototipo, los investigadores demostraron que esta celda podría transportar más de tres veces más energía por unidad de peso que las baterías de iones de litio utilizadas en prácticamente todos los vehículos eléctricos en la actualidad.
Sus hallazgos se publican en la revista Joule, en un artículo de los estudiantes de doctorado del MIT Karen Sugano, Sunil Mair y Saahir Ganti-Aagrawal; Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales aún Ming Chiang; y otros cinco.
“Esperamos que la gente piense que esta es una idea totalmente loca”, dice Chiang, quien es el profesor de cerámica de Kyocera. “Si no lo hicieran, estaría un poco decepcionado porque si la gente no piensa que algo es totalmente loco al principio, probablemente no será tan revolucionario”.
Y esta tecnología parece tener el potencial de ser bastante revolucionaria, sugiere. En particular, para la aviación, donde el peso es especialmente crucial, tal mejora en la densidad de energía podría ser el avance que finalmente hace que el vuelo eléctrico sea práctico a una escala significativa.
“El umbral que realmente necesita para una aviación eléctrica realista es de aproximadamente 1,000 vatios por kilogramo”, dice Chiang. Las baterías de iones de litio de vehículos eléctricos de hoy en día superan a unos 300 vatios horas por kilogramo, ahora cerca de lo que se necesita. Incluso a 1,000 vatios por kilogramo, dice, eso no sería suficiente para habilitar vuelos transcontinentales o transatlánticos.
Eso aún está fuera del alcance de cualquier química de batería conocida, pero Chiang dice que llegar a 1,000 vatios por kilogramo sería una tecnología habilitadora para la aviación eléctrica regional, que representa aproximadamente el 80% de los vuelos nacionales y el 30% de las emisiones de la aviación.
La tecnología también podría ser un facilitador para otros sectores, incluido el transporte marino y ferroviario. “Todos requieren una densidad de energía muy alta, y todos requieren bajo costo”, dice. “Y eso es lo que nos atrajo al metal de sodio”.
Se ha realizado una gran cantidad de investigación en el desarrollo de baterías de litio o aire sodio en las últimas tres décadas, pero ha sido difícil hacerlas completamente recargables.
“La gente ha sido consciente de la densidad de energía que podría obtener con las baterías de metal-aire durante mucho tiempo, y ha sido muy atractivo, pero nunca se ha realizado en la práctica”, dice Chiang.
Al usar el mismo concepto electroquímico básico, solo que sea una celda de combustible en lugar de una batería, los investigadores pudieron obtener las ventajas de la alta densidad de energía en una forma práctica. A diferencia de una batería, cuyos materiales se ensamblan una vez y se sellan en un recipiente, con una celda de combustible, los materiales de transporte de energía entran y salen.
El equipo produjo dos versiones diferentes de un prototipo a escala de laboratorio del sistema. En uno, llamado célula H, se conectan dos tubos de vidrio verticales por un tubo en el medio, que contiene un material de electrolito cerámico sólido y un electrodo de aire poroso.
El metal de sodio líquido llena el tubo en un lado, y el aire fluye a través del otro, proporcionando el oxígeno para la reacción electroquímica en el centro, que termina consumiendo gradualmente el combustible de sodio. El otro prototipo utiliza un diseño horizontal, con una bandeja del material electrolítico que sostiene el combustible líquido de sodio. El electrodo de aire poroso, que facilita la reacción, se fija en la parte inferior de la bandeja.
Las pruebas que usan una corriente de aire con un nivel de humedad cuidadosamente controlado produjeron un nivel de casi 1.700 vatios por kilogramo a nivel de una “pila” individual, que se traduciría en más de 1,000 vatios en el nivel completo del sistema, dice Chiang.
Los investigadores imaginan que para usar este sistema en una aeronave, los paquetes de combustible que contienen pilas de células, como los bastidores de bandejas de alimentos en una cafetería, se insertarían en las celdas de combustible; El metal de sodio dentro de estos paquetes se transforma químicamente, ya que proporciona la potencia. Se emite una corriente de su subproducto químico, y en el caso de los aviones esto se emitiría en la parte posterior, no muy diferente del escape de un motor a reacción.
Pero hay una gran diferencia: no habría emisiones de dióxido de carbono. En cambio, las emisiones, que consisten en óxido de sodio, en realidad absorberían el dióxido de carbono de la atmósfera.
Este compuesto se combinaría rápidamente con la humedad en el aire para fabricar hidróxido de sodio, un material comúnmente utilizado como limpiador de drenaje, que se combina fácilmente con dióxido de carbono para formar un material sólido, carbonato de sodio, que a su vez forma bicarbonato de sodio, también conocido como soda para hornear.
“Existe esta cascada natural de reacciones que ocurre cuando comienzas con metal de sodio”, dice Chiang. “Todo es espontáneo. No tenemos que hacer nada para que esto suceda, solo tenemos que volar el avión”.
Como un beneficio adicional, si el producto final, el bicarbonato de sodio, termina en el océano, podría ayudar a desacidar el agua, contrarrestando otro de los efectos dañinos de los gases de efecto invernadero.
El uso de hidróxido de sodio para capturar dióxido de carbono se ha propuesto como una forma de mitigar las emisiones de carbono, pero por sí solo, no es una solución económica porque el compuesto es demasiado costoso. “Pero aquí, es un subproducto”, explica Chiang, por lo que es esencialmente gratuito, produciendo beneficios ambientales sin costo.
Es importante destacar que la nueva celda de combustible es inherentemente más segura que muchas otras baterías, dice. El metal de sodio es extremadamente reactivo y debe estar bien protegido. Al igual que con las baterías de litio, el sodio puede encenderse espontáneamente si se expone a la humedad.
“Cada vez que tiene una batería de muy alta densidad de energía, la seguridad siempre es una preocupación, porque si hay una ruptura de la membrana que separa a los dos reactivos, puede tener una reacción fugitiva”, dice Chiang.
Pero en esta celda de combustible, un lado es solo aire “, lo cual es diluido y limitado. Por lo tanto, no tiene dos reactivos concentrados justo uno al lado del otro. Si está presionando por una densidad de energía muy alta, prefiere tener una celda de combustible que una batería por razones de seguridad”.
Si bien el dispositivo hasta ahora existe solo como un pequeño prototipo de una sola célula, Chiang dice que el sistema debería ser bastante sencillo para escalar a los tamaños prácticos para la comercialización. Los miembros del equipo de investigación ya han formado una empresa, Propel Aero, para desarrollar la tecnología. La compañía se encuentra actualmente en la incubadora de inicio del MIT, el motor.
Producir suficiente metal de sodio para permitir la implementación global generalizada y a gran escala de esta tecnología debería ser práctica, ya que el material se ha producido a gran escala antes.
Cuando la gasolina con plomo era la norma, antes de que se eliminara, el metal de sodio se usó para hacer que el plomo de tetraetil se usara como aditivo, y se producía en los EE. UU. A una capacidad de 200,000 toneladas al año.
“Nos recuerda que el metal de sodio se produjo una vez a gran escala y se manejó y distribuyó de forma segura alrededor de los Estados Unidos”, dice Chiang.
Además, el sodio se origina principalmente en cloruro de sodio, o sal, por lo que es abundante, ampliamente distribuido en todo el mundo y se extrae fácilmente, a diferencia del litio y otros materiales utilizados en las baterías EV de hoy.
El sistema que prevían usaría un cartucho recargable, que se llenará con metal de sodio líquido y sellado. Cuando está agotado, se devolvería a una estación de recarga y se cargaría con sodio fresco. El sodio se derrite a 98 grados Celsius, justo debajo del punto de ebullición del agua, por lo que es fácil calentar al punto de fusión para repostar los cartuchos.
Inicialmente, el plan es producir una celda de combustible del tamaño de un ladrillo que pueda entregar aproximadamente 1,000 vatios de energía de energía, suficiente para alimentar un gran dron, para probar el concepto de una forma práctica que podría usarse para la agricultura, por ejemplo. El equipo espera tener una manifestación así dentro del próximo año.
Sugano, quien realizó gran parte del trabajo experimental como parte de su tesis doctoral y ahora trabajará en la startup, dice que una visión clave era la importancia de la humedad en el proceso. Mientras probaba el dispositivo con oxígeno puro, y luego con aire, descubrió que la cantidad de humedad en el aire era crucial para hacer que la reacción electroquímica sea eficiente.
El aire húmedo resultó en el sodio que produce sus productos de descarga en forma líquida en lugar de sólida, lo que hace que sea mucho más fácil para estos eliminar el flujo de aire a través del sistema.
“La clave era que podemos formar este producto de descarga de líquido y eliminarlo fácilmente, a diferencia de la descarga sólida que se formaría en condiciones secas”, dice ella.
Ganti-Arawal señala que el equipo obtuvo de una variedad de diferentes subcampos de ingeniería. Por ejemplo, ha habido mucha investigación sobre sodio a alta temperatura, pero ninguno con un sistema con humedad controlada.
“Estamos extrayendo de la investigación de pilas de combustible en términos de diseño de nuestro electrodo, estamos extrayendo de una investigación de baterías de alta temperatura más antigua, así como a una investigación de baterías de aire de sodio incipiente, y que lo sufra”, lo que llevó a “el gran aumento en el rendimiento” que el equipo ha logrado, dice.
El equipo de investigación también incluyó a Alden Friesen, un pasante de verano del MIT que asiste a la escuela secundaria Desert Mountain en Scottsdale, Arizona; Kailash Raman y William Woodford de Form Energy en Somerville, Massachusetts; Shashank Sripad y Battery Aero en California, y Venkatasubramanian Viswanathan de la Universidad de Michigan.
Más información: celda de combustible de aire sodio para alta densidad de energía y energía eléctrica de bajo costo, Joule (2025). Doi: 10.1016/j.joule.2025.101962. www.cell.com/joule/fulltext/s2542-4351(25)00143-6
Información en la revista: Joule proporcionada por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/NewsOffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.
Cita: Prototype Sodium-Air Combust Selly podría alimentar planos y trenes eléctricos (2025, 27 de mayo) Recuperado el 27 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-prototype-sodium-ir-fuel-cell.html
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