Tendencias tecnológicas
Batería de iones de sodio: la nueva tendencia del futuro de los vehículos eléctricos
julio 19, 2021
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Contexto
Coste de las baterías de vehículos eléctricos
Por qué los vehículos eléctricos necesitan mejores baterías
Los vehículos eléctricos, especialmente los que utilizan energía renovable para generar electricidad, se consideran el modelo de futuro que ayudará a proteger el clima global. Pero durante años los fabricantes de automóviles han usado litio escaso y relativamente caro en la tecnología de baterías, lo que ha ralentizado la adopción masiva de vehículos eléctricos en todo el mundo.
Aunque los coches eléctricos, los vehículos comerciales y las bicicletas eléctricas están en pleno auge, su uso sigue siendo limitado. Los precios elevados, las instalaciones de carga complejas y un proceso de producción de baterías que consume grandes cantidades de materias primas están frenando el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos.
Para que los vehículos eléctricos estén ampliamente disponibles, los fabricantes de automóviles deben introducir baterías más potentes, duraderas, sostenibles y asequibles.
Sodio en lugar de litio
Comparación de materiales
Sodio en lugar de litio
Las baterías de iones de sodio pueden ser una opción viable, y los desarrollos recientes en estas baterías han sido sorprendentemente progresivos. En un futuro previsible, las baterías de iones de sodio podrían sustituir a las baterías de litio utilizadas en vehículos eléctricos, smartphones o portátiles.
El litio y el sodio, dos metales alcalinos, tienen propiedades químicas muy similares. Aunque el sodio tiene una menor densidad energética en comparación con el litio, más escaso, es más fácil de obtener y será relativamente económico.
Avances prometedores
Progreso del prototipo
Avances prometedores
El rendimiento de las baterías de iones de sodio aún está unos 20 años por detrás del de las baterías de litio. La razón es que, durante la última década aproximadamente, los investigadores se centraron solo en desarrollar el mayor rendimiento del litio.
Hoy en día no solo existen publicaciones científicas revolucionarias, sino también prototipos muy avanzados. Según un informe publicado en mayo, una batería de iones de sodio desarrollada en Corea del Sur completó unos 500 ciclos de carga completos antes de que su capacidad bajara al 80 por ciento de su capacidad original.
Otra batería, desarrollada por un equipo de investigación de EE. UU. y China, puede completar unas 450 recargas para la misma capacidad de batería. Una batería de iones de sodio fabricada en China tiene menor capacidad, pero después de 1200 cargas rápidas de 12 minutos, aún conserva el 70% de su capacidad.
Puede que no parezca mucho, pero en la práctica estas baterías podrían soportar un mayor número de recargas, ya que en la vida diaria normalmente no se recargan después de agotarse por completo. Descargar y recargar por completo la batería en el experimento genera más desgaste en la batería.
El elemento metálico litio es más escaso y caro, pero la mayoría de la tecnología actual de baterías utiliza baterías de litio. La figura original muestra los principales países por reservas de litio en 2019.
Además, la tecnología de iones de sodio no requiere el uso de recursos escasos. No se necesitan sales de litio raras para fabricar cátodos, ya que la sal común es suficiente. Los ánodos de alto rendimiento pueden fabricarse con lignito, madera y otra biomasa. En el proceso de producción no se necesita cobalto ni sustancias raras similares.
Investigación básica
Grafeno e iones de sodio
¿Un avance en la investigación básica?
El sodio tiene dos desventajas: pesa tres veces más que el litio, por lo que, aunque las baterías de litio contienen menos del 5% del peso total de la batería, una batería con iones de sodio seguiría pesando más que una batería de litio.
Además, el rendimiento de las baterías de sodio es menor. Como los iones de sodio tienen 0,3 voltios menos que las baterías de litio, se produce una pérdida inevitable de aproximadamente un 10% en la densidad energética. Lo más importante es que los ánodos de grafito de las baterías actuales no permiten alojar suficiente sodio.
Según un informe publicado por un grupo de trabajo germano-ruso dirigido por el Helmholtz Centre for Scientific Research (HZDR) en Dresde, Alemania, el nanocarbono puede ayudar a mejorar este problema. El informe señala que el uso de un material de carbono ultrafino, el grafeno bicapa, puede almacenar más iones de sodio en el ánodo que el grafito.
Si en el futuro se pueden instalar electrodos de grafeno en baterías de litio, sustituyendo los ánodos de grafito que se usan comúnmente hoy, podría ser posible aumentar significativamente la capacidad de la batería.
Krasheninkov, físico del HZDR, lo comparó con colocar una pequeña bola entre dos hojas de papel: al seguir añadiendo pequeñas bolas entre las hojas, el papel se separa cada vez más y aumenta el espacio entre ambas hojas.
Tecnología compatible
Estructura multicapa
¿Una tecnología compatible?
Si una estructura multicapa funciona para las baterías de litio, ¿también se aplica a otros metales alcalinos como el sodio? Un equipo de investigadores de Dresde, Stuttgart y Moscú espera averiguarlo mediante sofisticadas simulaciones con superordenadores.
Dado que los prototipos de baterías de iones de sodio hasta ahora no han funcionado bien porque el sodio apenas puede entrar en el ánodo de grafito, los cálculos por ordenador muestran que el sodio, al igual que el litio, puede insertarse entre capas de grafeno en una estructura multicapa.
En el futuro, si se instalan electrodos de grafeno en baterías de iones de sodio en lugar de los ánodos de grafito actuales, podría lograrse una mayor capacidad de almacenamiento.
Los resultados de estos estudios podrían suponer un avance en el desarrollo de baterías de sodio económicas. Krasheninkov afirmó que el trabajo es puramente teórico y que no defiende el desarrollo de una nueva generación de baterías en un futuro previsible basándose solo en los resultados del estudio, pero puede aportar nuevas ideas interesantes para los ingenieros.
Baterías del futuro
Perspectivas futuras
Baterías del futuro
Afortunadamente, la batería de iones de sodio ya no es solo un concepto teórico. Un avance en las tecnologías relacionadas parece estar cerca.
Los hallazgos más recientes muestran que ya existen alternativas prácticas, asequibles y eficientes en recursos frente a las costosas baterías de litio, y que incluso podrían mejorar su rendimiento mediante estructuras multicapa.
Sin duda pasará algún tiempo antes de que la tecnología de baterías de iones de sodio esté lista para la producción en masa y su uso en vehículos eléctricos o teléfonos móviles. Pero cuando llegue el momento, no debería haber mucho problema en cambiar la línea de producción de baterías de litio a baterías de iones de sodio, ya que la tecnología es relativamente similar.
