Científicos de la Universidad Arizona State han demostrado que la combinación de sodio con litio en las baterías cuenta con potencial para producir una nueva generación de baterías de alto rendimiento más baratas y seguras.
El litio se ha convertido en un recurso altamente demandado en la actualidad, gracias a su uso extendido en las baterías de iones de litio presentes en automóviles eléctricos y dispositivos portátiles.
Sin embargo, el aumento de su precio y los desafíos relacionados con el suministro de este metal relativamente escaso han llevado a los científicos a buscar alternativas más económicas y sostenibles.
En este contexto, las baterías de sodio están ganando popularidad como una tecnología emergente que podría reemplazar a las costosas baterías de iones de litio.
Recientemente, investigadores de la Universidad Estatal de Arizona han dado un paso importante hacia esta dirección al desarrollar una batería que combina litio y sodio, ofreciendo una solución prometedora para abordar los desafíos actuales.
La batería de sodio como complemento a la de litio
Las baterías de sodio han surgido como una alternativa atractiva a las baterías de iones de litio, y presentan varias ventajas significativas.
Tanto el litio como el sodio son metales alcalinos que comparten propiedades químicas y tecnológicas similares. Esto significa que la fabricación de baterías de iones de sodio puede aprovechar las infraestructuras ya existentes para la producción de baterías de litio, lo que resulta en economías de escala y una reducción de costes en el proceso de industrialización.
Un punto importante a tener en cuenta es que los materiales utilizados en las baterías de litio son considerados críticos y se busca reducir su uso debido a su escasez y a las preocupaciones relacionadas con su origen en países subdesarrollados o en conflicto.
En contraste, las baterías de sodio utilizan materiales sostenibles, abundantes en la naturaleza y de bajo coste, lo que las convierte en una opción más atractiva desde una perspectiva ambiental y de disponibilidad de recursos.
Por otro lado, las baterías de sodio ofrecen un sistema de almacenamiento de energía seguro, sostenible y de bajo coste gracias a las propiedades químicas de los elementos que las componen.
Sin embargo, es importante mencionar que las baterías de sodio presentan una densidad energética más baja en comparación con las baterías de litio, con una reducción de aproximadamente un 40 % en las unidades de primera generación.
Esta menor densidad energética las hace menos adecuadas para aplicaciones que requieren una alta densidad de energía, como la industria de vehículos eléctricos.
Otro de los desafíos a los que se enfrentan las baterías de sodio es el desarrollo de un mercado de componentes. Actualmente, existen sólo unos pocos proveedores globales que transforman la materia prima en el formato adecuado para la industria de las baterías, y esto se vuelve aún más complejo en el contexto europeo.
La solución, una batería de litio-sodio
El estudiante de doctorado Tullio Geraci y la profesora Alexandra Navrotsky encabezan un proyecto en la Universidad Estatal de Arizona. El enfoque innovador de este consiste en mezclar litio y sodio en la misma batería, lo que podría permitir una reducción en los costes y garantizar un suministro más estable de estos elementos.
Aunque el sodio es más abundante y económico en comparación con el litio, su uso en baterías ha sido limitado debido a las ya mencionadas desventajas técnicas. Las baterías de litio, por otro lado, han demostrado ser eficientes en términos de proporcionar una carga concentrada necesaria para alimentar vehículos y dispositivos electrónicos portátiles.
El equipo de investigación está fabricando materiales compuestos de litio-sodio y evaluando sus estructuras, homogeneidad y propiedades termodinámicas.
Utilizando una técnica especializada desarrollada y optimizada en el laboratorio de Navrotsky, conocida como calorimetría de solución fundida de óxido a alta temperatura, los científicos pueden medir la estabilidad energética de los materiales.
Además, mediante experimentos de calentamiento, determinan si estos compuestos se descomponen durante su uso.
Más sodio, más estabilidad
El equipo de investigadores presentó sus hallazgos durante la conferencia internacional de geoquímica Goldschmidt 2023 en Lyon. En ella, Tullio Geraci confirmó haber estado «mezclando pequeñas cantidades de sodio con litio, probando su estabilidad y observando su rendimiento».
«Es un proceso gradual, y al principio la estabilidad no era prometedora», reconoce a continuación. «Lo primero que necesitamos verificar es si la mezcla se mantiene en una forma utilizable».
«Sin embargo, a medida que incrementamos la cantidad de sodio, mejoró la estabilidad de su contenido. Hasta ahora, hemos logrado una mezcla con un 10 % de sodio y parece funcionar bien, aún siendo termodinámicamente estable. Creemos que podemos aumentar esta proporción hasta un 20 % antes de notar una diferencia significativa en el rendimiento», explica.
Por su parte, Geraci ha señalado que, «inicialmente, no estábamos seguros de si era posible realizar estas diluciones de Li/Na. Sorprendentemente, descubrimos que las diluciones más bajas tienden a descomponerse, perdiendo su homogeneidad y la estructura cristalina que es esencial para producir una batería eficiente».
«Sin embargo, a medida que aumentamos la cantidad de sodio, el material se vuelve más estable. Una vez que hayamos alcanzado la combinación óptima, entregaremos nuestros hallazgos a los tecnólogos de baterías para producir las primeras baterías de litio-sodio. Creemos que estos son los primeros pasos en el desarrollo de una nueva tecnología de batería», afirma Geraci.
La batería de litio y sodio desarrollada por los miembros de la Universidad Arizona State representa un paso emocionante hacia la mejora de las baterías de iones de litio existentes.
La posibilidad de combinar litio y sodio en una sola batería promete no sólo reducir los costes y garantizar un suministro más seguro, sino también abrir nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías más sostenibles.
A medida que los investigadores continúen refinando sus hallazgos y trabajen en estrecha colaboración con los tecnólogos de baterías, es posible que pronto veamos una nueva generación de baterías más eficientes y amigables con el medio ambiente en nuestros dispositivos cotidianos.
Fuente | Techxplore
