Un "truco" de física de 270 años que impulsa las baterías de sodio

Un equipo internacional de investigadores en India, Australia y Reino Unido ha aplicado un curioso efecto físico descubierto hace 270 años para construir un “autopista atómica” dentro del cátodo de una batería de sodio. Este avance podría ser clave para desarrollar infraestructuras de almacenamiento de energía a gran escala utilizando sodio, un material barato y abundante.

La transición hacia una economía descarbonizada se apoyará en gran medida de las baterías para almacenar la energía generada por plantas solares y eólicas y compensar su intermitencia. Pero los actuales sistemas de litio cuentan con retos por superar, como su elevado precio, su duración y rendimiento en climas adversos. Ahí es donde entra en juego el sodio. Abundante y barato, ofrece una alternativa más sostenible y económica.

El problema es que los iones de sodio son más grandes y pueden atascar el cátodo, reduciendo su vida útil. Por eso los científicos buscaban un material adecuado para el cátodo que permitiera el flujo rápido de estos iones sin degradarse.

Construyendo la autopista atómica

Investigadores del Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal y del Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN) trabajaron junto a colegas de la University of Southern Queensland en Australia y la Swansea University en Reino Unido para desarrollar un cátodo capaz de mover los iones de sodio de forma rápida y repetida, sin dañar la estructura.

“Decidimos construir la infraestructura correcta para el cátodo, una autopista atómica, para que los iones de sodio pudieran desplazarse a toda velocidad”, explica Subhajit Singha, doctorando en IISER Bhopal.

El material elegido fue una mezcla de fosfato y pirofosfato de hierro (Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)), que forma de manera natural una estructura tridimensional estable con túneles que facilitan el flujo de los iones de sodio.

Aprovechando el efecto Leidenfrost

Aunque el material base era prometedor, usar solo hierro en el cátodo presentaba problemas de conductividad y transporte de energía. Para solucionarlo, los investigadores añadieron indio a la mezcla. Sustituir apenas un 1% de los átomos de hierro por indio permitió aumentar el espaciado atómico del material, facilitando el movimiento de los iones y mejorando la conductividad del cátodo.

Pero mejorar la receta química no bastaba: también era necesario optimizar el proceso de fabricación. Aquí entra en juego el efecto Leidenfrost, descubierto en 1756 por el médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost. Observó que las gotas de agua patinan sobre una superficie metálica muy caliente como si no hubiera fricción, gracias a una capa de vapor que las separa del metal.

Los investigadores aplicaron este efecto para pulverizar el material del cátodo sobre una superficie metálica, provocando su evaporación instantánea. El resultado fueron partículas porosas fusionadas, que al ser convertidas en polvo actúan como esponjas, absorbiendo el electrolito y permitiendo un flujo más fluido de los iones de sodio.

Este método evita hornos tradicionales, reduce el impacto ambiental y mantiene intacta la estructura cristalina del cátodo durante miles de ciclos de carga y descarga, muy por encima de las baterías de litio tradicionales que suelen durar unos pocos cientos de ciclos.

“El material optimizado del cátodo alcanzó una alta densidad energética de ~359 Wh kg-1, con una durabilidad sorprendente y rendimiento estable durante 10.000 ciclos de carga y descarga”, afirma Raghavan Ranganathan, profesor asociado en IITGN.

Con este avance, las baterías de sodio podrían convertirse en una alternativa real para almacenamiento energético asequible y duradero, acercando la realidad de los coches eléctricos y la energía renovable a una escala más masiva y sostenible.

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