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Potentes prototipos y hallazgos innovadores de la investigación muestran que las baterías de iones de sodio pronto podrían ser una alternativa más barata y que ahorra recursos.
La electromovilidad, especialmente en combinación con la electricidad de fuentes regenerativas, se considera en todo el mundo como un modelo respetuoso con el clima para el futuro. Sin embargo, la concentración en el litio, caro y escaso, para producir baterías recargables ha frenado la electrificación a gran escala de la movilidad mundial.
Aunque los automóviles, vehículos comerciales y bicicletas eléctricas están ganando terreno, las gamas limitadas, los precios elevados, una infraestructura de carga engorrosa y la producción de baterías con uso intensivo de recursos están retrasando un rápido cambio a la movilidad electrónica. Para su uso generalizado, las baterías deben ser aún más potentes, duraderas, sostenibles y rentables.
Sodio en lugar de litio: prototipos prometedores
La solución podrían ser baterías de iones de sodio, cuyo desarrollo ha hecho recientemente un progreso asombroso. En un futuro previsible, podrían sustituir a las baterías de iones de litio que se utilizan actualmente en los vehículos eléctricos, pero también en los teléfonos inteligentes o en los ordenadores portátiles. Los dos metales alcalinos litio y sodio son químicamente muy similares. Si bien el sodio no tiene la densidad energética del litio, está disponible en todas partes y es mucho más barato.
El rendimiento de las baterías de iones de sodio aún es inferior al de las de iones de litio, y su desarrollo lleva unos 20 años de retraso. Durante décadas, la investigación se había concentrado únicamente en el litio, más potente. Pero ya hay prototipos muy prometedores: una batería de iones de sodio de Corea del Sur logró unos 500 ciclos de carga completos antes de que su capacidad descendiera al 80 por ciento, según una publicación de mayo de 2020.
Una batería de un grupo de investigación sino-estadounidense, con una estructura química ligeramente diferente, logró 450 ciclos con una capacidad de carga similar. Y una batería china de iones de sodio tenía una capacidad ligeramente menor, pero aún así conservaba el 70 por ciento de su capacidad después de 1.200 ciclos de 12 minutos de carga rápida.
Un gran avance a la vista
Todo esto puede parecer poco, pero en la práctica estas baterías probablemente sobrevivirían muchos más ciclos de carga, porque en la vida cotidiana las baterías suelen estar solo parcialmente cargadas o descargadas. La carga y descarga completa de una batería en un experimento, por otra parte, pone mucho más tensión en la batería.
Además, la tecnología de los iones de sodio no consume recursos escasos: la producción de los cátodos no requiere sales de litio raras, sino que basta con una simple sal de mesa. Se pueden producir ánodos poderosos a partir de lignito, madera y otra biomasa. Tampoco se requiere cobalto o recursos escasos similares.
¿Investigación básica innovadora?
El sodio tiene dos desventajas: es tres veces más pesado que el litio y, en consecuencia, las baterías de iones de sodio son más pesadas. El litio representa menos del 5% del peso total de una batería. Además, las baterías de sodio son menos potentes porque inevitablemente pierden alrededor del 10% de su densidad de energía debido a un voltaje de 0,3 voltios más bajo.
El carbono a nanoescala podría ser una alternativa. Esto se muestra en un estudio germano-ruso dirigido por el Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR). Según dicho estudio, las capas dobles de grafeno, es decir, de carbono muy fino, podrían almacenar significativamente más átomos de sodio en el ánodo que en el grafito utilizado hasta ahora.
Si se incorporaran electrodos de grafeno en las baterías de litio en lugar de los ánodos de grafito que se utilizan comúnmente hoy en día, sería posible lograr capacidades de almacenamiento significativamente mayores. «Es como poner pequeñas bolas entre dos hojas de papel», explica el físico de la HZDR Arkady Krasheninnikov: «Si metes más y más bolas, las hojas de papel se separan, dejando más espacio entre ellas.»
¿Nuevo impulso también para la batería de iones de sodio?
Si el almacenamiento múltiple funciona para el litio, ¿podría funcionar para otros metales alcalinos como el sodio? Esta es la pregunta que el grupo de investigación de Dresde, Stuttgart y Moscú quería responder mediante complejas simulaciones por supercomputadora. Hasta ahora, los prototipos de las baterías de iones de sodio no han funcionado tan bien porque el sodio es reacio a entrar en los ánodos de grafito.
Pero, afortunadamente, las baterías de iones de sodio ya no son solo un concepto teórico. El avance a la tecnología práctica parece inminente. Los resultados de las últimas investigaciones muestran que ya existen alternativas tangibles, asequibles y que ahorran recursos, y que el rendimiento puede aumentar considerablemente mediante el almacenamiento múltiple.
Ciertamente pasará algún tiempo antes de que las baterías de iones de sodio estén técnicamente maduras, puedan producirse en grandes cantidades y puedan instalarse en vehículos eléctricos o teléfonos móviles. Pero entonces cambiar la producción de baterías de litio a baterías de iones de sodio no debería ser problemático debido a que la tecnología es relativamente similar.
DW, 11.08.2020
