Baterías de ion-sodio

Ya existen vehículos con baterías de sodio, como las Zebra de níquel-cloruro de sodio o las baterías de sodio fundido que trabajan a temperaturas de mas 200ºC. Pero hace tiempo oímos hablar de unas baterías de ion-sodio con las que Toyota anunciaba un vehículo con 1000 km de autonomía. ¿Cuales son las características de las baterías de ion-sodio? El sodio es  un metal alcalino, como el litio, y su química es muy similar, hasta el momento sus prestaciones no son tan elevadas como las de las baterías de ion-litio. Sin embargo es una opción muy a tener en cuenta y son muchos los grupos de investigación y empresas buscando la receta adecuada.

La importancia de estas baterías no está en su energía especifica ni en su capacidad, se trata del precio de almacenamiento, los euros que cuesta el kWh, lo que marca la diferencia. El sodio es uno de los elementos más comunes en la tierra. Está en la sal común de cocina y es abundante en los océanos. Su obtención es sencilla y barata, pudiendo reducir a un tercio el precio de una batería de litio. Otra ventaja de usar sodio es que es más estable, menos tóxico y más fácil de reciclar que el litio. Y mirando las primeras prestaciones de estas baterías todo parece esperanzador.

Las baterías de sodio tienen una tensión nominal de 3.6 V, similar a las de litio, y puede tener una energía específica de 400 Wh/kg, que sería el doble que las de ion-litio. Las celdas de una batería de iones de sodio han sido probadas en configuraciones similares a las de ion-litio, por ejemplo NaFePO₄ , dando capacidades de hasta 350 mA·hr/g, superiores a las primeras. Y no se trata de las baterías de sal fundida, son baterías de ion-sodio que trabajan a 25ºC.

El problema, que no son capaces de mantener la carga durante muchos ciclos, perdiendo hasta un 50% después de 50 ciclos, mientras que una de ion-litio puede soportar 300 ciclos completos sin llegar a perder ese 50%. Para mejorar este problema la investigación se centra en los materiales del cátodo y del ánodo, que como hemos visto en el caso de las de litio-azufre, pueden mejorar sustancialmente estos problemas.

La compañía estadounidense Aquion anunció hace varios años haber conseguido desarrollar baterías de ion-sodio con un durabilidad de 5000 ciclos manteniendo una eficiencia del 85%, usando carbón activo para el ánodo y manganeso con sodio en el cátodo. Las baterías están pensadas para su integración en redes eléctricas inteligentes y enfocadas a grandes almacenamientos de energía, esperando su producción en serie para este año. Pero se trata de una batería con una densidad energética de 30 Wh/L, comparable a las de plomo, pero 5 veces superior a las de litio.

El problema del sodio es que su radio iónico es un 70% más grande que el del litio, lo cual hace más difícil encontrar materiales en los que insertar y posteriormente extraer el ion de sodio, se necesitan estructuras abiertas y materiales que no generen reacciones secundarias. Un ejemplo es el dióxido de estaño (SnO₂), con una estupenda capacidad teórica de 1378 mAh/g, pero su estructura se degrada rápidamente debido a los cambios de volumen durante las cargas y descargas.

Investigadores de la Universidad de Sídney, Australia, en colaboración con la Universidad de Gyeongsan, en Corea del Sur han publicado recientemente un ánodo basado en nanocristales de SnO₂ usando laminas de grafeno para estabilizar el oxido. Se trata de una estrategia similar a la que vimos para usar silicio en las baterías de ion-litio y que promete una mayor estabilidad del ánodo. Los resultados muestran una capacidad inicial de 1942 mAh/g, superior a la teórica esperada, y un valor a partir del segundo ciclo de 700 mAh/g estable hasta los 100 ciclos.

Los avances con respecto al cátodo también han incrementado en los últimos años. La mayoría de los grupos dedicados a este trabajo buscan materiales basados en complejas estructuras cristalinas de óxidos metálicos y fluorofosfatos que permiten alojar los iones de sodio, pero muchas fallan por su rigidez o la dificultad en su fabricación, que además dispara los precios. Cada vez más se buscan materiales baratos para hacer de esta una tecnología rentable. Por ejemplo, investigadores de la universidad de Wuhan, en China, han demostrado la capacidad de polímeros para la fabricación de un cátodo, con una capacidad comparable a la de otros materiales, una buena ciclabilidad y sobre todo barato.

Como se ha dicho muchas veces el principal problema de los coches eléctricos no es la autonomía como se quiere hacer pensar, si no los precios. Reducir los precios de las baterías tendría un doble efecto en los consumidores, primero disponer de coches con los que ahorrar en gasolina que sean además asequibles para quien necesita ahorrar y segundo acabar con el miedo a tener que sustituir la batería en pocos años.

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Fuentes | Nature | Aquion Energy | Polymer physics