Baterías de sodio en el horizonte

Como bien sabemos hay una carrera que no se detiene en el desarrollo de nuevas baterías, si bien es cierto que las baterías de iones de litio hicieron posible mayor autonomía en los dispositivos eléctricos y la movilidad a bordo de vehículos eléctricos, sin embargo se busca incesantemente una tecnología más eficiente y sostenible que pueda sustituirla. Pero, ¿podría ser el sodio el elemento principal que reemplace al litio en las baterías?

El sodio podría sustituir al litio en las baterías de nueva generación. Fuente: imagen elaborada en powerpoint, contiene una imagen de pixabay.com.

El sodio como elemento es mucho más abundante que el litio, se puede extraer del océano y de la corteza terrestre, lo que lo hace económico y sostenible, características muy apetecibles para los componentes de las baterías, sin embargo las baterías de sodio no ha podido suministrar tanta energía como las baterías de litio, y presentan problemas de estabilidad, por lo que no se ha considerado esta tecnología como un fuerte candidato para reemplazar a las dominantes baterías de litio, pero esto podría cambiar.

Y es que, a pesar de la estabilidad y densidad de energía que entregan las baterías de litio, su principal desventaja es que sus principales componentes, litio y cobalto, son escasos y caros. Y a medida que la demanda de vehículos eléctricos aumenta, los fabricantes de baterías para estos vehículos necesitaran materiales más económicos y accesibles para cubrir la demanda, ya que el litio y el cobalto se harán más difíciles de conseguir. Y como en la tabla periódica el litio y el sodio se encuentran en el mismo grupo, formando parte de los metales alcalinos, esto sugiere que podrían tener características similares aprovechables para la fabricación de baterías.

En teoría, el sodio y el litio tendrían propiedades comunes para su en baterías. Fuente: imagen editada, original tomada de Wikimedia.org.

¿Qué es una batería de sodio?

Podríamos decir que una batería de sodio es una batería recargable que funciona de forma similar a una batería de litio, con la diferencia de que el transporte de carga se realiza mediante iones de sodio (Na⁺) en lugar de iones de litio (Li⁺).

Esquema de funcionamiento de una batería de iones de sodio. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.

Básicamente, las celdas de iones de sodio constan de un cátodo de un material que contiene sodio, un ánodo que no necesariamente debe contener sodio y un electrolito líquido que contiene sales de sodio disociadas en solventes polares. Durante el ciclo de carga, los iones de sodio se extraen del cátodo y se insertan en el ánodo, mientras que los electrones viajan por el circuito externo; y durante la descarga, los iones de sodio se extraen del ánodo y se reintroducen en el cátodo, mientras los electrones viajan por el circuito externo.

Es decir, que los componentes de la batería y el mecanismo de almacenamiento de carga eléctrica son básicamente los mismos, excepto por los portadores iónicos de cada una.

De hecho la tecnología de las baterías de sodio no es nueva, incluso su estudio se inició entre los años 70 y 80, en paralelo al desarrollo de las baterías de litio, pero debido al éxito y rápido avance de las aplicaciones comerciales que empleaban la tecnología de litio se terminó dejando de lado este sistema, eso aunado a que la tecnología del momento no permitían la observación y manipulación adecuada del sodio, limitando el rendimiento de estas baterías.

Sin embargo, en la década de los 80, antes de que se comenzaran a comercializar las baterías de iones de litio, algunas empresas estadounidenses y japonesas desarrollaron baterías de sodio como celdas completas que utilizaba una aleación de sodio y plomo como ánodo y un compuesto de NaxCoO₂ como cátodo, que a pesar de presentar una notable ciclabilidad, entregaban un voltaje medio menor a los 3 V, lo que no termino de atraer la atención frente a los 3,7 V que entregan las baterías de LiCoO₂.

Por otro lado, los iones Na⁺ (1,02 Å) son más grandes que los iones Li⁺ (0,76 Å), lo que termina por afectar las propiedades de transporte y a la formación de la interfase sólido-electrolito. El sodio también es más pesado que el litio y tiene un potencial de electrodo estándar más alto (-2,71 V frente a -3,02 V para el litio); por lo que el sistema basado en el sodio se queda corto en términos de densidad energética. Pero, impulsado por la creciente demanda de baterías recargables, en la última década se ha avivado el interés por las baterías de sodio.

En busca del electrolito adecuado

Recientemente un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico ha desarrollado una batería de iones de sodio con una estabilidad muy superior en las pruebas de laboratorio. Un ingenioso cambio en los componentes del electrolito evita los problemas de solvatación en la interfase sólido-electrolito que limitan el rendimiento de las baterías de sodio.

En toda batería, el electrolito es el medio que mantiene el flujo de energía, este se forma al disolver sales en un disolvente adecuado, dando lugar a especies químicas cargadas que fluyen entre los electrodos, estableciendo el flujo de energía. Pero, con los repetidos ciclos de carga y descarga, las reacciones electroquímicas que tienen lugar en el electrolito se hacen más lentas o parecen reacciones laterales que terminan disminuyen el rendimiento de las baterías hasta el punto de no poder recargarse más, y este efecto se aparece más rápido en las baterías de sodio que en las de litio.

Pero este equipo de investigación diseño un electrolito capaz de suprimir la disolución de la interfase sólido-electrolito, reduciendo la capacidad de solvatación de la misma y mejorar el rendimiento de la batería de sodio. La celda completa desarrollada consta de un ánodo de carbono duro (HC) y un cátodo de NaNi_0,68Mn_0,22Co_0,1O₂ (NaNMC), abreviada como HC||NaNMC, y con el nuevo electrolito demostraron que la celda mantenía el 90% de su capacidad después de 300 ciclos cuando se carga a 4,2 V; un valor muy alto comparado con los registros anteriores de la mayoría de las baterías de sodio.

Y aunque la tecnología de las baterías de sodio sigue estando por detrás de las baterías de iones de litio, gracias a sus mayores ventajas y el desarrollo de nuevos electrolitos podría en el futuro convertirse en la opción más adecuada para los vehículos eléctricos ligeros y el almacenamiento de energía de las fuentes renovables.

Bueno amigos, esperemos que el desarrollo de nuevos electrolitos nos permita disponer de baterías con una tecnología más sostenible basadas en elementos más abundantes y económicos. ¡Hasta la próxima!

Referencias

Jang-Yeon Hwang et al. (2017). Sodium-ion batteries: present and future. Chemical Society Reviews. 46 (12)

Wikipedia.org. Sodyum-ion battery.

Jin, Y., Le, P.M.L., Gao, P. et al. Low-solvation electrolytes for high-voltage sodium-ion batteries. Nat Energy (2022).

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