Por Julian Renpenning
Las baterías electroquímicas recargables, como una de las tecnologías de almacenamiento de energía más versátiles, desempeñan un papel central en la transición actual de los combustibles fósiles a las energías renovables para lograr un planeta más verde. Son herramientas clave para reducir la huella de CO₂ tanto en el transporte vehicular como en los sistemas eléctricos. El uso de baterías de ion-litio, como una de las tecnologías de almacenamiento más avanzadas, ha crecido significativamente en las últimas décadas. Ofrecen ventajas y mejoras claras frente a otras tecnologías de baterías, incluidas las de hidruro metálico de níquel, plomo-ácido y —por supuesto— las de níquel-cadmio.
Como resultado, la tecnología de ion-litio se utiliza cada vez más en un amplio número de aplicaciones muy diversas: desde dispositivos electrónicos pequeños hasta teléfonos inteligentes, computadoras portátiles, vehículos y muchas otras.
Hoy en día, el litio acapara gran parte de la atención en lo que respecta a tecnología de baterías, pero su vecino inferior en la tabla periódica podría eventualmente desplazarlo. Ciertamente, no por completo, pero sí en parte. Descubra por qué en esta publicación.
¿Qué es una batería de sodio?
La investigación sobre baterías de sodio comenzó ya en la década de 1980. Por lo tanto, esta tecnología ha recorrido un largo camino. Después de casi cuatro décadas, las baterías de ion-sodio están ganando atención, ya que los avances tecnológicos sugieren que podrían lograr un rendimiento no tan alto pero casi similar al de las baterías de ion-litio en una gama más amplia de aplicaciones, sin los problemas actuales de la cadena de suministro.
La creciente demanda de baterías de ion-litio ha provocado que, por ejemplo, el precio del carbonato de
litio se dispare con un aumento de casi 10 veces entre 2020 y 2022 (Fuente: Trading Economics). En contraste con el litio y otros elementos clave que son esenciales como material activo del cátodo en las baterías, el sodio cuenta con una oferta prácticamente ilimitada. Su disponibilidad lo convierte en una opción mucho más económica y ecológica. La concentración de sodio en la corteza terrestre es aproximadamente 500 veces mayor que la del litio, y también puede extraerse del agua de mar. Además, las baterías de ion-sodio también son más seguras, ya que no son inflamables y son menos susceptibles a los cambios de temperatura que las de ion-litio.
¿Cuáles son las diferencias entre las baterías de ion-sodio y las de ion-litio?
La química y electroquímica de los materiales de electrodo para baterías de sodio es distinta a la de las baterías de litio, usando diferentes electrolitos y compuestos. Una diferencia importante es la mayor masa molar del sodio (23 g/mol frente a 6,9 g/mol para el Li+) y su mayor radio iónico (1,02 Å frente a 0,76 Å para el Li+). También el material del cátodo es distinto. Los tres tipos principales de materiales catódicos para baterías de sodio son óxidos, polianiones y análogos del azul de Prusia. Pero actualmente no hay una tendencia clara sobre cuál de estas clases debería ser la principal para una comercialización exitosa. Aun así, su estructura y principio de funcionamiento son bastante similares a los de las baterías de ion-litio. Cuando ambas se cargan, los iones se mueven del cátodo al ánodo a través del electrolito, y durante la descarga lo hacen en sentido contrario.
¿Son mejores las baterías de sodio?
Las baterías de sodio presentan ventajas importantes que las posicionan como una alternativa desafiante frente a las de litio. Entre ellas:
- Alta abundancia y menor costo de la sal de sodio como materia prima
- Las propiedades de la sal de sodio permiten usar electrolitos de baja concentración
- Puede utilizarse lámina de aluminio como colector de corriente en el electrodo negativo, lo que reduce aún más el costo
- Pueden cargarse a más del 80 % en solo 15 minutos a temperatura ambiente
- Funcionan en un amplio rango de temperaturas y no se ven afectadas por temperaturas extremadamente bajas
- Los materiales son más fáciles de reciclar, lo que las hace más sostenibles
Como toda química de baterías, las de sodio también tienen sus limitaciones. La principal desventaja es que, en general, presentan una menor densidad energética que las baterías de ion-litio. Esto significa que un vehículo eléctrico con una batería de sodio del mismo tamaño que una batería estándar de óxido de níquel-cobalto-aluminio (NCA) o de óxido de níquel-manganeso-cobalto (NMC) no podría recorrer la misma distancia con una sola carga. Sin embargo, las baterías de sodio más recientes han alcanzado densidades energéticas cercanas a las del tipo fosfato de hierro y litio (LiFePO₄, LFP), que ya se utilizan en vehículos eléctricos. Y se esperan nuevas mejoras próximamente.
¿Qué técnicas analíticas se requieren para el desarrollo de baterías?
La evaluación de baterías y sus componentes requiere una variedad de métodos analíticos que permiten estudiar los materiales y superficies en diferentes escalas. Aquí destacamos algunas de las técnicas utilizadas en el análisis de materiales para baterías:
- Espectroscopía de fotoelectrones por rayos X (XPS)
- Microscopía electrónica (SEM y TEM)
- Espectroscopía molecular, como FTIR, Raman y NIR
- Espectrometría de masas, como ICP-OES, ICP-MS, GC-MS, IC-MS
- Microtomografía computarizada (microCT)
- Resonancia magnética nuclear (RMN)
- Difracción de rayos X, fluorescencia de rayos X
- Reometría, viscosimetría y extrusión
Descubra cómo realizar análisis elementales y estructurales en pruebas de materiales para baterías.
Conozca más sobre el portafolio de análisis de materiales para baterías aquí >
Conclusión
Las baterías de ion-sodio son consideradas una de las alternativas más prometedoras frente a las tecnologías de baterías basadas en litio. Su principal ventaja es la sostenibilidad, algo clave en un mundo que busca liberarse de la energía basada en carbono. Las baterías de sodio con cátodos libres de cobalto podrían convertirse en alternativas sostenibles y de bajo costo frente a las baterías de litio en aplicaciones como vehículos eléctricos de corto alcance y almacenamiento de energía a gran escala (ESS), en un entorno que avanza cada vez más hacia fuentes renovables como la eólica, solar e hidroeléctrica.
Las baterías de sodio podrían aplicarse en distintos sectores y aliviar parte de las restricciones en el suministro de materias primas necesarias para las baterías de ion-litio en vehículos eléctricos. Su menor impacto ambiental también podría ser un factor clave frente a diversas regulaciones y requisitos sectoriales.
El gigante chino de baterías CATL ya presentó su primera generación de baterías de sodio, y varias startups están aumentando su capacidad de producción. Faradion, con sede en Reino Unido, trabaja en esta tecnología desde 2011. HiNa Battery Technology en China, Tiamat en Francia, Altris AB en Suecia y Natron Energy en Estados Unidos también están avanzando en su comercialización. Por lo tanto, se espera que este tipo de batería gane cada vez más presencia en los próximos años
Recursos adicionales
- Página web: Análisis químico para la fabricación de baterías
- Folleto: Soluciones para baterías – Tecnologías analíticas que ayudan a fabricar mejores baterías
- Website: Tecnología avanzada en baterías con instrumentos Thermo Scientific
- Website: Soluciones de análisis elemental para pruebas de materiales de batería
- Webinars: PowerUp – Soluciones para análisis y pruebas de baterías de ion-litio
- Artículo científico: How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?, ACS Energy Lett. 2020, 5, 11, 3544–3547
- Artículo científico: Design of cathode materials for sustainable sodium-ion batteries, MRS Energy & Sustainability vol. 9, pp. 183–197 (2022)
Deja un comentario