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Las baterías de iones de sodio son un tipo de baterías recargables que funcionan de manera similar a las baterías de litio, pero transportan la carga utilizando iones de sodio (Na+) en lugar de iones de litio (Li+).

Las baterías de iones de sodio tienen una estructura interna muy parecida a las de iones de litio. El átomo de sodio es más grande que el de litio, aproximadamente en un 70% en volumen; este tamaño condicionará muchas de las características y diferencias entre la batería de sodio y las de litio. Los principios de funcionamiento de ambas son los mismos. Ambas comenzaron a ser desarrolladas a comienzos de los años 80’s, pero fueron las baterías de litio las que finalmente se comercializaron debido a que, en aquel momento, mostraron mejores características para su uso industrial y comercial. Sin embargo, actualmente se está planteando sustituir las baterías de ion litio por las de ion sodio en aplicaciones como el almacenamiento de energía.

Las baterías de ion sodio, al igual que las baterías de ion litio, tienen múltiples composiciones químicas. Veamos cuáles son las composiciones químicas o tipos de baterías de iones de sodio.

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Celda de ion-sodio del fabricante chino CATL

Ejemplos de composiciones del CÁTODO:

  • Óxidos formados con metales de transición. Son similares a los cátodos de las baterías de iones de litio. Los más comunes son
    • NaFeO2
    • NaMnO2
    • NaCoO2

Este tipo de cátodos proporcionan una densidad de energía de unos 160 Wh/kg y alcanzan los 1000 ciclos de carga y descarga. Además, soportan intensidades de carga y descarga de 3 veces la capacidad de la batería.

  • Materiales de tipo polianión, son una clase más nueva de cátodos para baterías de iones de sodio. Tienen una estructura cristalina única que puede acomodar múltiples iones de sodio, lo que les da una densidad de energía potencialmente más alta que los cátodos con materiales de óxido de capa anteriormente vistos. Los materiales de tipo polianión más comunes incluyen:
    • NaTi2(PO4)3
    • Na3Fe2(PO4)3
    • NaTi2(PO4)3

Este tipo de cátodos proporcionan voltajes más elevados a las baterías de sodio.

  • Azul de Prusia: el azul de Prusia es un compuesto inorgánico que se ha utilizado como pigmento durante siglos. Recientemente se ha descubierto que también es un prometedor material de cátodo para baterías de iones de sodio. El azul de Prusia es barato, abundante y tiene un alto voltaje de funcionamiento.
Azul de prusia

Azul de Prusia

Ejemplos de composiciones del ÁNODO:

  1. Carbono: Los materiales carbonosos, como el grafito, se han utilizado comúnmente como ánodos en baterías de iones de sodio. El grafito es particularmente atractivo debido a su estabilidad química y su capacidad para intercalar iones de sodio durante la carga y descarga, lo que lo hace adecuado para aplicaciones comerciales.
  2. Aleaciones de sodio: Estas aleaciones pueden ofrecer una mayor capacidad específica y densidad de energía en comparación con el grafito, lo que podría conducir a un mejor rendimiento de la batería. Ejemplos de aleaciones incluyen el sodio con silicio, aluminio o estaño entre otros.
  3. Óxidos de sodio: Al igual que con los cátodos, ciertos óxidos de sodio también se han considerado como materiales de ánodo en baterías de iones de sodio. Estos materiales podrían ofrecer una mayor estabilidad y capacidad que el grafito, aunque su desarrollo y aplicación aún se encuentran en las etapas iniciales de investigación.
  4. Sulfuros de sodio: Algunos sulfuros de sodio han demostrado ser prometedores como materiales de ánodo en baterías de iones de sodio. Estos materiales pueden ofrecer una mayor capacidad y una mejor estabilidad electroquímica en comparación con el grafito, lo que podría mejorar el rendimiento general de la batería.

ELECTROLITOS en las baterías de sodio.

Las baterías de iones de sodio pueden utilizar electrolitos acuosos y no acuosos.

  1. Electrolitos líquidos: En muchos diseños de baterías de iones de sodio, se utilizan electrolitos líquidos, que consisten en una solución de sales de sodio disueltas en un solvente orgánico. Las sales de sodio, como el cloruro de sodio (NaCl) o el hexafluorofosfato de sodio (NaPF6), se disuelven en solventes como el carbonato de etileno dimetilo (DMC) o el carbonato de dietileno dimetilo (DEC). Estos electrolitos líquidos facilitan la movilidad de los iones de sodio entre los electrodos durante la carga y la descarga.
  2. Electrolitos sólidos: También se están investigando electrolitos sólidos para su uso en baterías de iones de sodio. Estos materiales sólidos pueden ofrecer ventajas en términos de seguridad, estabilidad y densidad de energía. Ejemplos de electrolitos sólidos incluyen polímeros conductores iónicos y cerámicas conductoras de iones. Sin embargo, aún están en fases muy tempranas de desarrollo comercial o industrial, se requiere mejorar su rendimiento y ciclo de vida.
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En el siguiente video se puede apreciar cómo funciona una pila de ion sodio.

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  • La zona de la derecha de la batería es el CÁTODO (+), en este caso, formado por óxidos de sodio y metales de transición (como el cobalto NaCoO2 -> Na+-CoO2, o el hierro NaFeO2 -> Na+ – FeO2
  • Los iones con carga positiva (cationes) de sodio Na+ (esferas verdes) fluyen a través del ELECTROLITO (en el centro de la imagen)
  • La zona de la izquierda es el ÁNODO (-) La función del ánodo es retener los cationes de sodio (Na+) cuando la batería está cargada. En este caso está hecho de un material de carbono.
  • Funcionamiento (ver video): Cuando se carga la batería, los cationes de sodio son atraídos hacia el ánodo de la batería, fluyen por el electrolito y son retenidos por el ánodo de carbono. Por el contrario, cuando se descarga la batería los cationes de sodio fluyen a través del electrolito hacia el cátodo para formar la estructura del óxido de nuevo.
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Celda de baterías de iones de sodio desarrollada por Northvolt y Altris. Foto de Northvolt

¿CUÁLES SON LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE IONES DE SODIO?

VENTAJAS:

  • Coste. El sodio es un elemento muy abundante y económico, por ejemplo, en la sal común (ClNa) Por ello, tiene el potencial que las baterías de iones de sodio sean económicas.
  • Riesgo bajo. En comparación con otras químicas de batería, las baterías de iones de sodio tienen un menor riesgo de desbordamiento térmico, que pueden hacerlas más seguras de usar.
  • Velocidad de carga muy rápida, las baterías de iones de sodio pueden ser cargadas a 3C.
  • El rango de temperatura de trabajo de las baterías de sodio también es muy grande., y pueden tener una tasa de retención de descarga de más de 90% en un ambiente de baja temperatura de -20 ℃.
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Sodio metálico

DESVENTAJAS:

  • Baja densidad de energía. El mayor defecto de las baterías de sodio es la baja densidad de energía, algunos datos muestran que la densidad de energía del monómero de batería de iones de sodio es 100-150wh/kg Algunos prototipos han aumentado estas densidades.
  • Mayor tamaño y peso. Los iones de sodio son más grandes que los iones de litio, esto significa que los materiales utilizados en las baterías deben poder acomodar tamaños más grandes de iones de sodio, lo que puede hacerlas más grandes y pesadas que las baterías de iones de litio.
  • Ciclos de vida. Hasta el momento, la mayoría de las baterías de iones de sodio tienen rendimiento aún bajo en relación al número de ciclos de carga y descarga que soportan.

BATERÍAS DE IONES DE SODIO VS. BATERÍAS DE IONES DE LITIO

Las baterías de iones de sodio y las baterías de iones de litio son tipos de baterías recargables con principios de funcionamiento muy parecidos, pero tienen algunas diferencias clave en su química y rendimiento. Estas son algunas de las principales diferencias:

  • Materiales: El sodio es un elemento mucho más abundante en la naturaleza y barato que el litio, por lo que las baterías de iones de sodio serán potencialmente más baratas que las de litio cuando se alcancen producciones equivalentes. Se estima que la cantidad de litio en la tierra es de 20 ppm (partes por millón) frete al sodio que supone 23.600 ppm, es decir el 2,3% de la tierra es sodio. Como dato comparativo el plomo está presente en la tierra en 14 ppm. Las reservas estimadas de mineral litio son de 105 millones de toneladas.
  • Densidad de energía: Las baterías de iones de litio suelen tener una mayor densidad de energía que las baterías de iones de sodio, lo que significa que pueden almacenar más energía en un volumen o peso determinado. Esto hace que las baterías de iones de litio sean de tamaño más reducido y menos pesadas que las de sodio.
  • Rendimiento: Las baterías de iones de litio han sido ampliamente investigadas y desarrolladas, por ello tienen mejor rendimiento que las baterías de iones de sodio.
  • La seguridad: Las baterías de iones de sodio tienen un menor riesgo de desbordamiento térmico en comparación con algunas baterías de iones de litio, por lo que pueden hacerlos más seguros de usar.
  • Impacto medioambiental: Las baterías de iones de sodio tienen un impacto ambiental menor que algunas baterías de iones de litio porque el sodio es más abundante y menos tóxico que el litio.
  • Ciclo de vida. El ciclo de vida de la mayoría de baterías de iones de sodio actuales es menor que el de las baterías de iones de litio. Las baterías de sodio están generalmente entre 1000-3000 ciclos. Mientras que la vida de las baterías de fosfato de hierro y litio está entre 3000-10000 ciclos.
  • Las baterías de iones de sodio pueden ser cargadas y descargadas en general a mayor velocidad que las de litio. Las primeras pueden ser cargadas/descargadas a 3C.

PRINCIPALES FABRICANTES ACTUALES DE CELDAS DE IONES DE SODIO

  • Al igual que en el caso de las baterías de litio, el principal productor de celdas de iones de sodio es CATL. En el año 2023 proveyó con baterías de iones de sodio a la marca china de vehículos Chery. CATL ha conseguido baterías con una densidad energética de 160Wh/kg y está trabajando para alcanzar los 200Wh/Kg
  • ByD está trabajado para sacar al mercado los primeros vehículos con baterías de iones de sodio.
  • Faradion en el Reino Unido, empresa subsidiaria de la india Reliance Industries, fue una de las primeras empresas en realizar estudios y desarrollos de las baterías de iones de sodio. Ya han lanzado baterías para bicicletas y motos.
  • TIAMAT, empresa francesa cuya tecnología se centra en el desarrollo de pilas cilíndricas de formato 18650 basadas en materiales polianiónicos. Consigue una densidad energética de entre 100 Wh/kg y 120 Wh/kg. Su tecnología está destinada a aplicaciones en los mercados de carga y descarga rápidas. Pueden llegar a 4000 ciclos de carga y descarga.
  • HiNA Battery Technology, es una empresa china asociada con la estatal China Three Gorges Corporation que en diciembre del año 2022 anunció que había iniciado la producción en masa de baterías de iones de sodio con una densidad energética de 125 Wh/kg y unos 4.500 ciclos de vida. Al igual que CATL quiere obtener una densidad energética de 200Wh/kg.
  • Natron Energy, es una empresa norteamericana derivada de la Universidad de Stanford. Utiliza tanto en el ánodo como en el cátodo azul de Prusia con un electrolito acuoso. La gran ventaja de estas baterías es que tienen una vida estimada de 35.000 ciclos. Sus baterías se emplean en aplicaciones con descaras muy rápidas y en centros de datos.

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