Las baterías de sodio dan otro paso adelante y ya rozan los 200 Wh/kg

Las baterías de sodio llevan varios años apareciendo como una de las alternativas más prometedoras a las actuales baterías de litio. Su principal ventaja es evidente: el sodio es mucho más abundante y está distribuido de forma más uniforme por el planeta, lo que puede ayudar a reducir costes y dependencia de determinadas materias primas. Ahora, una revisión internacional de los últimos avances tecnológicos apunta a que esta tecnología está dando pasos importantes y que algunos prototipos ya se acercan a los 200 Wh/kg.

El estudio analiza la evolución de los principales componentes de las baterías de sodio y pone sobre la mesa tanto sus posibilidades como los problemas que todavía deben resolverse. Actualmente, las baterías de sodio comerciales se mueven aproximadamente entre 100 y 160 Wh/kg, una cifra todavía inferior a la de las mejores baterías de litio utilizadas en los coches eléctricos. Sin embargo, los investigadores señalan que algunos prototipos avanzados están aproximándose ya a los 200 Wh/kg gracias a las mejoras introducidas en los materiales de los electrodos y en los electrolitos.

La tecnología funciona de una forma similar a la de las baterías de litio. Durante los procesos de carga y descarga, los iones de sodio se desplazan entre el ánodo y el cátodo a través del electrolito. La diferencia está en el elemento utilizado para almacenar y transportar la carga. Y aunque sobre el papel pueda parecer un cambio sencillo, el mayor tamaño de los iones de sodio introduce importantes dificultades a la hora de conseguir la misma densidad energética y durabilidad.

Precisamente ahí está uno de los principales obstáculos para su expansión. El mayor radio iónico del sodio genera más tensión mecánica en los materiales de los electrodos durante los ciclos de carga y descarga, lo que puede acelerar su degradación. A esto se suman una mayor autodescarga, cadenas de suministro todavía poco desarrolladas para determinados materiales y problemas que afectan a procesos industriales como la preparación de los electrodos, su secado y el ensamblaje de las celdas.

A pesar de ello, las baterías de sodio tienen algunas características especialmente interesantes. Una de ellas es su mayor estabilidad térmica, además de que pueden aprovechar buena parte de las infraestructuras y procesos desarrollados originalmente para las baterías de litio. Esto podría facilitar su fabricación a gran escala si los avances tecnológicos permiten reducir la diferencia de prestaciones.

La investigación también analiza cinco grandes familias de materiales para los ánodos: materiales basados en aleaciones, materiales de intercalación, materiales de conversión, materiales orgánicos y los denominados MXene. Entre ellos, los investigadores destacan el potencial de los materiales basados en carbono, las aleaciones y los compuestos orgánicos por su capacidad para almacenar sodio y mantener una buena estabilidad durante los ciclos de uso.

Los materiales de conversión, por su parte, pueden ofrecer capacidades teóricas muy elevadas, aunque todavía tienen que superar varios problemas. Entre ellos aparecen los importantes cambios de volumen que experimentan durante el funcionamiento, una conductividad eléctrica insuficiente, interfaces poco estables y la degradación de su estructura con el paso del tiempo.

Por eso, el futuro de esta tecnología no depende únicamente de encontrar un material capaz de alcanzar una cifra elevada de Wh/kg. Los investigadores consideran necesario mejorar de forma simultánea los ánodos, los cátodos, los electrolitos, los separadores, los aglutinantes, los colectores de corriente, los aditivos conductores y los disolventes. La mejora conjunta de todos estos elementos será clave para que las baterías de sodio puedan competir realmente con las baterías de litio.

Los electrolitos tienen además un papel especialmente importante. Una mayor conductividad iónica y una mejor estabilidad electroquímica pueden permitir aumentar la densidad energética y mejorar el funcionamiento general de la batería. De hecho, los avances en las formulaciones de los electrolitos son uno de los motivos que explican que algunos prototipos estén acercándose ya a los 200 Wh/kg.

Una alternativa especialmente interesante para los coches eléctricos más baratos

La tecnología ya ha empezado a salir de los laboratorios. Empresas como Contemporary Amperex Technology, Faradion y TIAMAT han desarrollado dispositivos comerciales de primera generación destinados principalmente al almacenamiento estacionario y a aplicaciones de movilidad ligera. Su presencia todavía es pequeña a escala mundial, pero el interés está creciendo y los próximos años serán importantes para comprobar hasta dónde puede llegar esta tecnología.

En el sector del automóvil, las baterías de sodio pueden tener un papel especialmente interesante en los coches eléctricos de menor precio, donde la densidad energética máxima no siempre es la prioridad absoluta. Un coche destinado principalmente a ciudad puede beneficiarse más de una batería económica, robusta y fácil de fabricar que de otra capaz de ofrecer una autonomía enorme a costa de utilizar materiales más caros.

También pueden resultar especialmente adecuadas para vehículos de dos y tres ruedas, un mercado en el que el peso y el volumen de la batería tienen una importancia algo menor que en determinados coches eléctricos de gran tamaño. De hecho, este es uno de los campos en los que las primeras aplicaciones comerciales están ganando presencia.

El almacenamiento estacionario es otro de los grandes candidatos. En este caso, la densidad energética tiene todavía menos importancia, ya que una instalación fija no necesita transportar su batería. El bajo coste y la disponibilidad del sodio pueden convertirse aquí en ventajas mucho más importantes que alcanzar las cifras de densidad energética de las baterías de litio más avanzadas.

También existe una conexión directa con las energías renovables. Las baterías de sodio pueden utilizarse para almacenar electricidad generada por instalaciones solares y eólicas y liberarla posteriormente cuando la producción cae o aumenta la demanda. Algunos proyectos piloto ya han demostrado su potencial para ayudar a estabilizar la red eléctrica.

El gran reto será conseguir que todas estas ventajas se traduzcan en una fabricación a gran escala y, sobre todo, en precios realmente competitivos. Una tecnología puede utilizar materias primas abundantes, pero si sus procesos industriales son complejos o caros, esa ventaja puede desaparecer rápidamente.

Por ahora, las cifras siguen situando a las baterías de litio por delante en densidad energética y madurez industrial. Pero la distancia puede reducirse. Pasar de los 100-160 Wh/kg actuales a prototipos próximos a 200 Wh/kg supone un avance importante, especialmente si se consigue mantener una buena vida útil y controlar los costes de fabricación.

La batería de sodio, por tanto, no tiene por qué sustituir a la batería de litio en todos los coches eléctricos. Lo más probable es que ambas tecnologías terminen conviviendo y que cada una encuentre su espacio. Las baterías de litio seguirán teniendo una ventaja clara cuando sean necesarias grandes autonomías y bajo peso, mientras que el sodio puede ganar terreno en los modelos más económicos, vehículos urbanos, movilidad ligera y almacenamiento energético.

Fuente | Sciencedirect.com

Puntos clave

• Las baterías de sodio actuales alcanzan aproximadamente entre 100 y 160 Wh/kg.
• Algunos prototipos avanzados ya se acercan a los 200 Wh/kg.
• El sodio es más abundante y está distribuido geográficamente de forma más uniforme que el litio.
• Sus principales problemas siguen siendo la menor densidad energética, la durabilidad y determinados procesos de fabricación.
• La mayor estabilidad térmica es una de sus principales ventajas.
• Los coches eléctricos económicos y urbanos pueden ser uno de sus mercados con mayor potencial.
• El almacenamiento de energía renovable es otra de las aplicaciones más prometedoras.
• Las baterías de sodio y las baterías de litio probablemente convivirán, en lugar de que una tecnología sustituya por completo a la otra.