La transición energética en el sector del transporte se enfrenta a un desafío monumental, especialmente en lo que respecta a la electrificación de vehículos pesados como aviones, trenes y barcos. Las tecnologías de baterías existentes están alcanzando sus límites físicos en cuanto a la cantidad de energía que pueden almacenar por unidad de masa, lo que representa un obstáculo significativo para la innovación. Sin embargo, un equipo científico del prestigioso Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) donde también puede encontrar alojamiento e instituciones colaboradoras presentaron recientemente un concepto que podría cambiar fundamentalmente este paradigma y allanar el camino para la electrificación de estos sistemas de transporte clave.

Enfoque revolucionario para la alimentación: Pila de combustible de sodio líquido

En lugar de una batería convencional, la nueva solución se basa en el principio de una pila de combustible, un dispositivo que, de forma similar a una batería, produce electricidad mediante una reacción química, pero con una diferencia clave: se puede repostar rápidamente con combustible en lugar de someterse a una carga prolongada. El núcleo de este innovador sistema es el sodio metálico líquido, una materia prima barata y ampliamente disponible. Al otro lado de la pila se encuentra aire ordinario, que sirve como fuente de átomos de oxígeno. Entre ellos hay una capa de material cerámico sólido que funciona como electrolito, permitiendo el libre paso de iones de sodio, mientras que un electrodo poroso orientado hacia el aire facilita la reacción química del sodio con el oxígeno, generando así una corriente eléctrica.

En una serie de experimentos realizados con un dispositivo prototipo, los investigadores demostraron que esta pila puede almacenar más de tres veces la cantidad de energía por unidad de peso en comparación con las baterías de iones de litio que dominan el mundo de los vehículos eléctricos en la actualidad. Los hallazgos detallados de esta investigación se publicaron recientemente en la revista científica Joule, en un artículo firmado por los doctorandos del MIT Karen Sugano, Sunil Mair y Saahir Ganti-Agrawal, el profesor de ciencia de materiales e ingeniería Yet-Ming Chiang, y otros cinco colaboradores.

El profesor Chiang, que ostenta el título de Kyocera Professor of Ceramics, comentó sobre la posible percepción de su trabajo: “Esperamos que la gente piense que esta es una idea completamente loca. Si no fuera así, estaría un poco decepcionado, porque si la gente no piensa inicialmente que algo es completamente loco, probablemente no será tan revolucionario”. Es precisamente este potencial revolucionario lo que hace que esta tecnología sea extremadamente prometedora.

Nueva esperanza para la aviación eléctrica

Especialmente en la aviación, donde el peso es un factor crítico, tal mejora en la densidad de energía podría representar un punto de inflexión que finalmente permita la aplicación práctica de la propulsión eléctrica a una escala significativa. “El umbral que realmente se necesita para una aviación eléctrica realista es de alrededor de 1.000 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg)”, explica Chiang. Las baterías de iones de litio actuales para vehículos eléctricos alcanzan un máximo de unos 300 Wh/kg, lo que está lejos de ser necesario. Incluso con 1.000 Wh/kg, señala, no sería suficiente para vuelos transcontinentales o transatlánticos.

Aunque ese objetivo todavía está fuera del alcance de cualquier química de batería conocida, Chiang señala que alcanzar los 1.000 Wh/kg representaría una tecnología que permite la aviación eléctrica regional. Dichos vuelos representan aproximadamente el 80 por ciento de los vuelos nacionales y son responsables de alrededor del 30 por ciento de las emisiones de la aviación. La electrificación de este segmento tendría, por lo tanto, un impacto positivo significativo en el medio ambiente.

La tecnología también podría ser un motor de progreso en otros sectores, incluido el transporte marítimo y ferroviario. “Todos ellos requieren una densidad de energía muy alta y bajos costos”, dice Chiang. “Y eso es lo que nos atrajo al sodio metálico”.

De la batería a la pila de combustible: Superando limitaciones

Durante las últimas tres décadas, se ha invertido mucho esfuerzo de investigación en el desarrollo de baterías de litio-aire o sodio-aire, pero ha resultado difícil hacerlas completamente recargables. “La gente ha sido consciente durante mucho tiempo de la densidad de energía que podrían lograr con las baterías de metal-aire, y eso era extremadamente atractivo, pero simplemente nunca se materializó en la práctica”, afirma Chiang.

Utilizando el mismo concepto electroquímico básico pero transformándolo en una pila de combustible en lugar de una batería, los investigadores lograron aprovechar 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 una carcasa, en una pila de combustible, los materiales portadores de energía entran y salen del sistema. Este enfoque dinámico permite un "repostaje" rápido, eliminando los largos tiempos de carga asociados con las baterías.

El equipo produjo dos versiones diferentes de un prototipo de laboratorio del sistema. En una, denominada celda H, dos tubos de vidrio verticales están conectados por un tubo transversal que contiene un electrolito cerámico sólido y un electrodo de aire poroso. El sodio metálico líquido llena el tubo por un lado, mientras que el aire fluye por el otro, proporcionando oxígeno para la reacción electroquímica en el centro, que consume gradualmente el combustible de sodio. El segundo prototipo utiliza un diseño horizontal, con un crisol de material electrolítico que contiene el combustible de sodio líquido. Un electrodo de aire poroso, que facilita la reacción, está unido al fondo del crisol.

Las pruebas realizadas utilizando una corriente de aire con un nivel de humedad cuidadosamente controlado mostraron un nivel de más de 1.500 vatios-hora por kilogramo a nivel de una sola “pila” de celdas, lo que, según Chiang, se traduciría en más de 1.000 Wh/kg a nivel del sistema completo.

Beneficios ambientales y captura de dióxido de carbono

Los investigadores prevén que para su uso en aviones, se insertarían paquetes de combustible que contienen pilas de celdas en las pilas de combustible, de forma similar a las bandejas de comida en una cafetería. El sodio metálico dentro de estos paquetes se transforma químicamente a medida que proporciona energía. El subproducto de esta reacción química se libera al exterior y, en el caso de un avión, se emitiría por la parte trasera, de forma similar a los gases de escape de un motor a reacción.

Pero hay una diferencia muy grande: no habría emisiones de dióxido de carbono. En cambio, las emisiones, compuestas de óxido de sodio, en realidad absorberían el dióxido de carbono de la atmósfera. Este compuesto se combinaría rápidamente con la humedad del aire para formar hidróxido de sodio –un material comúnmente utilizado como limpiador de desagües– que reacciona fácilmente con el dióxido de carbono para formar un material sólido, carbonato de sodio, que a su vez crea bicarbonato de sodio, más conocido como bicarbonato de sodio.

“Existe esta cascada natural de reacciones que ocurre cuando comienzas con sodio metálico”, explica Chiang. “Todo es espontáneo. No tenemos que hacer nada para que suceda, solo tenemos que volar el avión”. Como beneficio adicional, si el producto final, el bicarbonato de sodio, termina en el océano, podría ayudar a desacidificar el agua, contrarrestando otro de los efectos dañinos de los gases de efecto invernadero.

Se ha propuesto el uso de hidróxido de sodio para capturar dióxido de carbono como una forma de mitigar las emisiones de carbono, pero no es una solución económica por sí sola porque el compuesto es demasiado caro. “Pero aquí es un subproducto”, aclara Chiang, por lo que es esencialmente gratuito y aporta beneficios ambientales sin costo adicional.

Seguridad y escalabilidad del sistema

Es importante señalar que la nueva pila de combustible es intrínsecamente más segura que muchas otras baterías, dice Chiang. El sodio metálico 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. “Siempre que tienes una batería de muy alta densidad de energía, la seguridad siempre es una preocupación, porque si hay una ruptura en la membrana que separa los dos reactivos, puedes tener una reacción incontrolada”, dice Chiang. Pero en esta pila de combustible, un lado es solo aire, “que está diluido y limitado. Así que no tienes dos reactivos concentrados uno al lado del otro. Si buscas una densidad de energía realmente, realmente alta, preferirías tener una pila de combustible que una batería por razones de seguridad”.

Aunque el dispositivo por ahora solo existe como un pequeño prototipo de una sola celda, Chiang dice que el sistema debería ser bastante sencillo de escalar a tamaños prácticos para su comercialización. Los miembros del equipo de investigación ya han fundado una empresa, Propel Aero, para desarrollar la tecnología. La empresa se encuentra actualmente en la incubadora de startups del MIT, The Engine, en Cambridge, un destino popular para los visitantes.

Producir suficiente sodio metálico para permitir una implementación global amplia y completa de esta tecnología debería ser práctico, ya que el material se ha producido a gran escala anteriormente. Cuando la gasolina con plomo era la norma, antes de que se eliminara gradualmente, el sodio metálico se usaba para producir tetraetilo de plomo que se usaba como aditivo, y se producía en los EE. UU. con una capacidad de 200.000 toneladas por año. “Esto nos recuerda que el sodio metálico alguna vez se produjo a gran escala y se manipuló y distribuyó de forma segura por todo EE. UU.”, dice Chiang.

Además, el sodio proviene principalmente del cloruro de sodio, es decir, la sal, por lo que es abundante, está ampliamente distribuido por todo el mundo y es fácil de extraer, a diferencia del litio y otros materiales que se utilizan en las baterías actuales de los vehículos eléctricos. El equipo de científicos, cuyo trabajo proviene predominantemente de centros de investigación en Massachusetts, confía en esta disponibilidad.

Sistema de carga y pasos futuros

El sistema que prevén utilizaría cartuchos reemplazables, que se llenarían con sodio metálico líquido y se sellarían. Cuando se agotan, se devolverían a una estación de carga y se rellenarían con sodio fresco. El sodio se derrite a 98 grados Celsius, justo por debajo del punto de ebullición del agua, por lo que es fácil calentarlo hasta su punto de fusión para llenar los cartuchos.

El plan inicial es producir una pila de combustible del tamaño de un ladrillo que pueda suministrar unos 1.000 vatios-hora de energía, suficiente para alimentar un dron grande, para demostrar el concepto en una forma práctica que podría utilizarse, por ejemplo, en la agricultura. El equipo espera tener lista dicha demostración dentro del próximo año, es decir, para mayo de 2026.

Perspectivas científicas clave y trabajo en equipo

Karen Sugano, quien realizó la mayor parte del trabajo experimental como parte de su tesis doctoral y ahora trabajará en la startup Propel Aero, dice que una idea clave fue 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 في el aire era crucial para la eficiencia de la reacción electroquímica. El aire húmedo hizo que el sodio formara sus productos de descarga en forma líquida en lugar de sólida, lo que facilitó considerablemente su eliminación mediante la corriente de aire a través del sistema. “La clave fue que podíamos formar este producto de descarga líquido y eliminarlo fácilmente, a diferencia de una descarga sólida que se formaría en condiciones secas”, dice.

Saahir Ganti-Agrawal señala que el equipo se basó en conocimientos de diversas subdisciplinas de la ingeniería. Por ejemplo, hay mucha investigación sobre el sodio a alta temperatura, pero ninguna con un sistema de humedad controlada. “Nos basamos en la investigación de pilas de combustible en términos del diseño de nuestro electrodo, nos basamos en investigaciones más antiguas sobre baterías de alta temperatura, así como en algunas investigaciones más recientes sobre baterías de sodio-aire, y de alguna manera lo unimos todo”, lo que llevó al “gran salto en el rendimiento” que logró el equipo, dice.

El equipo de investigación también incluyó a Alden Friesen, un pasante de verano en el MIT que asiste a la Desert Mountain High School en Scottsdale, Arizona; Kailash Ramana y William Woodford de Form Energy en Somerville, Massachusetts; Shashank Sripada de And Battery Aero en California, y Venkatasubramanian Viswanathan de la Universidad de Michigan. El trabajo fue apoyado por ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures y la National Science Foundation, y se utilizaron las instalaciones de MIT.nano.