El curioso descubrimiento que mejora las baterías de sodio: no hay que quitarles el agua

Durante años, el agua presente en determinados materiales utilizados en baterías de sodio se ha considerado poco menos que un problema. La práctica habitual consistía en eliminarla durante el proceso de fabricación, pero un equipo de investigadores de la Universidad de Surrey decidió hacer justo lo contrario. Y el resultado ha sido una batería experimental capaz de almacenar casi el doble de carga que materiales de referencia, además de mostrar una segunda función inesperada: ayudar a eliminar la sal del agua de mar.

El protagonista de este trabajo es un material conocido como vanadato de sodio hidratado nanoestructurado, denominado NVOH. Se trata de una variante del óxido de vanadio y sodio que mantiene moléculas de agua integradas en su estructura. Esa característica modifica el espacio existente entre las capas del material y facilita el movimiento de los iones de sodio, algo que termina teniendo un impacto importante sobre su capacidad de almacenamiento.

La idea resulta especialmente interesante porque las baterías de sodio llevan años intentando superar una de sus principales limitaciones frente a las baterías de litio: la menor capacidad y, en determinados casos, una peor estabilidad. El sodio tiene a su favor que es mucho más abundante y está ampliamente distribuido, incluyendo grandes cantidades presentes en el agua de mar, por lo que puede convertirse en una alternativa interesante para sistemas de almacenamiento de energía de bajo coste.

Algo con especial importancia en lugares con una importante industria de las desaladoras, como España, donde contamos con un total de 765 plantas desaladoras (con producciones superiores a los 100 m³/día), de las cuales 360 son desaladoras de agua de mar y 405 de agua salobre, según los datos de la Asociación Española de Desalación y Reutilización (AEDyR).

El agua que parecía un problema se convierte en una ventaja

Los investigadores de la Universidad de Surrey trabajaron con este material hidratado y comprobaron qué sucedía cuando no se aplicaba el tratamiento térmico utilizado normalmente para eliminar el agua. El resultado fue una mejora considerable en su comportamiento: el material consiguió almacenar mucha más carga, funcionar a mayores velocidades de carga y mantener un funcionamiento estable durante cientos de ciclos.

En las pruebas realizadas por el equipo, la versión que conservaba el agua podía almacenar casi el doble de carga que materiales habituales de las baterías de sodio, situándose entre los materiales de electrodo positivo con mejores resultados registrados para esta tecnología. La investigación de la Universidad de Surrey señala además una estabilidad superior a 400 ciclos en las pruebas comunicadas por el centro.

El estudio científico publicado en Journal of Materials Chemistry A permite poner estas cifras en contexto. En las celdas de laboratorio, el NVOH alcanzó una capacidad específica de hasta 280 mAh/g a una corriente de 10 mA/g, mientras que una celda completa fabricada con un electrodo de carbono y óxido de vanadio consiguió 70 mAh/g a 100 mA/g. En las pruebas de almacenamiento de sodio también conservó el 78% de su capacidad después de 150 ciclos en determinadas condiciones.

La explicación está en la propia estructura del material. El agua cristalina aumenta la separación entre sus capas, creando más espacio para que los iones de sodio puedan introducirse y salir durante los procesos de carga y descarga. Es decir, aquello que normalmente se intentaba eliminar durante la fabricación termina siendo precisamente una de las claves para mejorar el comportamiento electroquímico del material.

Y aquí aparece una segunda posibilidad que hace que esta investigación sea especialmente llamativa. El equipo de Surrey también probó el material en agua salada, un entorno complicado para muchos sistemas electroquímicos. En estas condiciones, el electrodo basado en NVOH fue capaz de extraer sodio de la solución mientras otro electrodo de grafito se encargaba de extraer el cloruro. El resultado es un proceso de desalinización electroquímica.

El trabajo científico estima una capacidad de extracción de sal de hasta 173 mg de NaCl por gramo de material en las condiciones estudiadas. Además, en las pruebas específicas de almacenamiento en medio acuoso, el material alcanzó 81,5 mAh/g y todavía conservaba 25,3 mAh/g después de 1.000 ciclos. Son resultados de laboratorio, pero muestran que el mismo principio puede servir tanto para almacenar sodio como para extraerlo de una solución salina.

Esto abre una posibilidad bastante diferente a la de una batería convencional. En lugar de utilizar el sistema únicamente para guardar electricidad, en el futuro podría diseñarse un dispositivo capaz de almacenar energía y, al mismo tiempo, participar en la producción de agua dulce. La idea tendría especial interés en zonas costeras donde existe disponibilidad de agua de mar y de fuentes renovables como la solar o la eólica.

Eso sí, todavía estamos lejos de poder hablar de una batería comercial para coches eléctricos capaz de hacer algo parecido. La investigación se encuentra en una fase experimental y las propias pruebas se han realizado mediante celdas de laboratorio. Tampoco se ha demostrado que este material pueda trasladarse directamente a un pack de grandes dimensiones manteniendo las mismas prestaciones. El salto entre una celda experimental y una batería preparada para un coche eléctrico sigue siendo enorme.

Lo que sí resulta relevante es que el descubrimiento puede simplificar parte del proceso de fabricación. Si el agua no tiene que eliminarse del material mediante un tratamiento adicional, podría reducirse una etapa de producción y, al mismo tiempo, obtener un electrodo con mejores prestaciones. La combinación de un elemento abundante como el sodio con un proceso potencialmente más sencillo resulta especialmente interesante para el almacenamiento estacionario y, a más largo plazo, también para aplicaciones en coches eléctricos.

Fuente | Surrey.ac.uk

Puntos clave

• Investigadores de la Universidad de Surrey han estudiado un vanadato de sodio hidratado nanoestructurado, denominado NVOH.
• El material mantiene agua integrada en su estructura en lugar de eliminarla mediante tratamiento térmico.
• La mayor separación entre capas facilita la incorporación de iones de sodio.
• En laboratorio alcanzó una capacidad específica de hasta 280 mAh/g.
• La Universidad de Surrey señala que puede almacenar casi el doble de carga que materiales habituales de baterías de sodio.
• También funciona en agua salada y permite extraer componentes de la sal mediante un proceso electroquímico.
• El estudio calcula una capacidad de desalinización de hasta 173 mg de NaCl por gramo de material.
• En determinadas pruebas acuosas alcanzó 1.000 ciclos, aunque con una capacidad residual inferior a la inicial.
• La tecnología todavía se encuentra en fase experimental y no está preparada para su aplicación directa en coches eléctricos.