Las baterías están cerca de sus límites en el sentido de cuánta potencia pueden ahorrar. Este es un obstáculo serio para la innovación energética y los aviones, trenes y barcos para encontrar nuevos métodos de electricidad. Ahora, los investigadores del MIT y otros lugares han presentado una solución que puede ayudar a crear el sistema de transporte por electricidad.
En lugar de la batería, el nuevo concepto es un tipo de celda de combustible, que es como una batería pero se puede rellenar rápidamente en lugar de recarga. En este caso, el líquido de combustible es de metal de sodio, que es un producto barato y ampliamente disponible. El otro lado de la célula es simplemente común, que funciona a través de átomos de oxígeno. En el medio, una capa de material cerámico sólido actúa como un electrolito, que permite que los iones de sodio pasen libremente, y un electrodo no garantizado que mira el electrodo sodio ayuda a revelar reacciones químicas con oxígeno y generar electricidad.
En una serie de experimentos con un dispositivo prototipo, los investigadores han demostrado que puede tomar más de tres veces por unidad por unidad de peso celular, ya que hoy en día las baterías de iones de litio se usan en todos los vehículos eléctricos. Sus búsquedas se publican en la revista Today JouleEn una tesis de estudiantes de doctorado del MIT, Karen Sugar, Sunil Mayer y Sahir Ganti Angwal. Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, pero Ming Cheng; Y otros cinco.
“Esperamos que la gente piense que es una idea completamente loca”, dice Cheng, quien es profesor de cerámica. “Si no lo hacen, estaré un poco decepcionado porque si la gente no cree que algo esté completamente loco primero, probablemente no será un revolucionario”.
Y esta tecnología tiene la capacidad de ser bastante revolucionaria. En particular, para la aviación, donde el peso es especialmente importante, tal mejora en la densidad de energía puede ser el progreso que eventualmente hace que el vuelo con electricidad sea una escala significativa.
“El límite que realmente necesita para una aviación eléctrica realista es de aproximadamente 1,000 1,000 vatios por kilogramo”, dice Cheng. Las baterías de iones de litio de vehículos eléctricos de hoy están en la parte superior de aproximadamente 300 300 vatios por kilogramo, que no es necesario. Incluso en mil vatios por kilogramo, dice, no será suficiente para habilitar la transcripción o la transcripción de los vuelos del Atlántico.
Todavía está más allá de la adhesión de cualquier química de batería bien conocida, pero Cheng dice que obtener 1,000 vatios por kilogramo será una tecnología capaz de aviación eléctrica regional, que es aproximadamente el 80 % de los vuelos nacionales y el 30 % de las emisiones de aviación.
Esta tecnología también puede ser viable para otros campos, incluido el transporte marítimo y ferroviario. “Todos necesitan mucha densidad de energía, y todos necesitan menos costo”. “Y es por eso que nos sentimos atraídos por el metal de sodio”.
En las últimas tres décadas, ha habido una gran investigación en la producción de baterías de aire de litio o aire de sodio, pero es difícil recargar por completo. “Las personas están familiarizadas con la densidad de energía que puedes encontrar con baterías de aire de metal durante mucho tiempo, y ha sido muy atractivo, pero nunca se ha dado cuenta”, dice Cheng.
Utilizando el mismo concepto electroquímico básico, solo que sea una celda de combustible en lugar de una batería, los investigadores lograron obtener los beneficios de la alta densidad de energía en forma práctica. A diferencia de una batería, cuyo material una vez se recoge y sellado en el contenedor, que contiene una celda de combustible en la que el material de transporte de energía entra y sale.
El equipo desarrolló dos versiones diferentes del prototipo a escala de laboratorio del sistema. En uno, llamado célula H, se conectan dos tubos de vidrio verticales a través de un tubo en el medio, que contiene un material de electrolito cerámico sólido y un electrodo de aire inseguro. El metal de sodio líquido llena el tubo en un lado, y el aire fluye en el otro lado, proporcionando oxígeno para las reacciones electroquímicas al centro, que gradualmente usa combustible de sodio. El segundo prototipo utiliza un diseño horizontal, que tiene una bandeja de materiales electrolíticos al combustible líquido de sodio. El electrodo de aire inseguro, que facilita la reacción, se aplica al fondo de la bandeja.
Cheng dice que las pruebas que usan Airstream con niveles de humedad cuidadosamente controlados crearon un nivel de nivel de “pila” por kilogramo por kilogramo, que traducirá más de mil vatios al nivel completo del sistema.
Los investigadores han imaginado que para usar este sistema en una aeronave, se insertará una cafetería en una cafetería, como los bastidores de bandejas de alimentos, en las celdas de combustible de las celdas de combustible. El metal de sodio se cambia químicamente dentro de estos paquetes, ya que proporciona electricidad. Se ha cerrado una serie de productos químicos por productos, y en el caso del avión, saldrá por la parte posterior, no muy diferente del motor del motor.
Pero hay una gran diferencia: no se emitirá dióxido de carbono. En lugar de emisión, el óxido de sodio en realidad eliminará el dióxido de carbono del medio ambiente. Esta mezcla se acumulará rápidamente con humedad en el aire para fabricar hidróxido de sodio, un material que se usa comúnmente como limpiador de drenaje, que forma fácilmente material sólido, carbonato de sodio, combinado con dióxido de carbono, lo que resulta en nombres bacterianos de sodio.
“Esta es la arruga natural de la reacción que comienzas con metal de sodio”, dice Cheng. “Todo no es razonable. No tenemos que hacer nada que hacer, solo tenemos que volar aviones”.
Como una ventaja adicional, si el producto final, el carbonato de bicicleta de sodio, termina en el mar, puede ayudar al agua de aacidita, combatiendo los efectos nocivos de los gases de efecto invernadero.
El uso de hidro óxido de sodio para capturar dióxido de carbono se sugiere como un método para reducir las emisiones de carbono, pero en sí misma, esta no es una solución económica porque es muy costosa. “Pero aquí, es un producto por parte”, explica Cheng, por lo que es básicamente gratis, lo que produce beneficios ambientales sin ningún costo.
Él dice que lo importante es que la nueva celda de combustible está naturalmente protegida que muchas otras baterías. El metal de sodio es una reacción y debe estar bien protegido. Al igual que las baterías de litio, el sodio puede estallar cuando la humedad. “Cada vez que tiene mucha batería de densidad de energía, la seguridad siempre es una preocupación, porque si la membrana de los dos reactores está explotada, es posible que tenga una respuesta de funcionamiento”, dice Cheng. Pero en esta celda de combustible, solo hay un lado “, que es delgado y limitado. Por lo tanto, no tiene dos reactivos concentrados exactamente tan bien. Si realmente está enfatizando la alta densidad de energía, sus razones de seguridad serán una celda de combustible en lugar de la batería”.
Aunque el dispositivo solo ha estado presente como un pequeño prototipo de una sola célula hasta ahora, Cheng dice que este sistema debería ser directo para medir este sistema hasta el tamaño práctico para la comercialización. Los miembros del equipo de investigación ya han formado una empresa, un propietario para desarrollar tecnología. La compañía se coloca actualmente en la incubadora de inicio del MIT, motor.
Saber la implementación de esta tecnología a gran escala debe ser práctico para producir suficiente metal de sodio, ya que se ha desarrollado ampliamente antes. Cuando la gasolina líder era una rutina, antes de su finalización en fase, el metal de sodio se usaba para usar el plomo Tetraithic como adicional, y se fabricaba en los Estados Unidos a una capacidad de 200,000 toneladas al año. “Nos recuerda que el metal de sodio fue ampliamente desarrollado y se manejó de forma segura y distribuida alrededor de los Estados Unidos”, dice Cheng.
Además, el sodio se origina principalmente del cloruro de sodio, o sal, por lo que son grandes cantidades, que se distribuyen ampliamente 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 imaginan usará un cartucho de recarga, que se llenará con metal de sodio líquido y sellado. Cuando expire, se devolverá a la estación de recarga y está llena de sodio fresco. El sodio se derrite a 98 grados Celsius, justo debajo del punto de ebullición del agua, por lo que es fácil calentar el cartucho a la ubicación de fusión del combustible.
Inicialmente, el plan es desarrollar una celda de combustible en forma de ladrillo que pueda proporcionar aproximadamente 1,000 1,000 vatios de energía, lo cual es suficiente para fortalecer un dron grande, para demostrar el concepto que puede usarse para la agricultura, por ejemplo. El equipo espera que tal demostración esté lista en el próximo año.
Sugaro, quien hizo la mayor parte de su trabajo experimental como parte de su tesis doctoral y ahora trabajará en nuevas empresas, dice que la importancia de la humedad en el proceso era importante. Cuando experimentó el dispositivo con oxígeno puro, y luego con el aire, descubrió que la ingesta de humedad en el aire es muy importante para que la reacción electroquímica sea efectiva. Como resultado del aire húmedo, el sodio fabricó sus productos de descarga en líquido en lugar de forma sólida, lo que hace que sea muy fácil eliminarlos del flujo de aire a través del sistema. “La clave era que podemos crear este producto de descarga de líquido y eliminarlo fácilmente, como surge en condiciones de descarga sólida”.
Ganti Aygul señala que el equipo atrajo a una ingeniería diferente de diferentes subcampos. Por ejemplo, ha habido mucha investigación sobre sodio a alta temperatura, pero nadie con un sistema de humedad controlado. “Estamos extraídos de la investigación de celdas de combustible en términos de diseño de nuestros electrodos, estamos extrayendo de una antigua investigación de baterías de alta temperatura, así como algunas investigaciones de baterías de aire de sodio recién nacidos, y TI juntas”, lo que ha llevado al equipo a lograr la “gran colisión de rendimiento”.
El equipo de investigación también incluyó a Aldon Frecon, quien es MIT Summer Inteent, quien estudia en la Escuela Secundaria Desert Mountain en Scottsdel, Arizona. Kailash Raman y William Woodford Farm Energy en Somarwell de Massachusetts. California Shashank Sripid Off and Battery Aero, y Venkatas Ibnia Vishwanathan de la Universidad de Michigan. El trabajo fue apoyado por Arpae, Progress Energy Ventures y la National Science Foundation, y las instalaciones utilizadas en Mit.com Nano.
