En el actual panorama global tanto económico como ambiental, donde la demanda de sistemas de almacenamiento de energía está creciendo exponencialmente, se prevé que las baterías van a desempeñar un papel fundamental para una economía baja en carbono.

Hasta el momento, las baterías de iones de litio (Li-ion o LIBs) han conquistado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles y, además, se han convertido en las principales candidatas para los vehículos eléctricos, provocando un aumento adicional de producción de LIBs en todo el mundo.

Este hecho afecta positivamente, por un lado, a la disminución de los costes, pero, por el contrario, provoca un aumento del desajuste entre la oferta y la demanda de materias primas, ya que en algunos casos éstas son críticas y/o tóxicas.

Dos ejemplos de ello son el grafito y el cobalto, cuyos recursos se concentran básicamente en países del tercer mundo e incluso en zonas de conflicto. Por lo tanto, un aumento de la producción de LIBs llevará asociado nuevos desafíos medioambientales y sociales, los cuales serán cada vez más importantes a medida que el mercado se expanda.

En este panorama, va a ser cada vez más necesaria una búsqueda de nuevas estrategias eficientes y rentables de reutilización y reciclaje de las LIBs, así como de nuevos sistemas alternativos de almacenamiento de energía basados en materiales abundantes, sostenibles y de bajo coste, que puedan ser una alternativa a baterías de litio-ion en algunos nichos.

En este marco y, con el objetivo de poder abastecer todas las necesidades futuras, en los últimos años han aparecido diferentes tecnologías de almacenamiento de energía denominadas “post-lithium o beyond-lithium”, entre las cuales se encuentran las baterías de iones de sodio (Na-ion o SIBs).

El sodio como tecnología sostenible alternativa para baterías

El sodio es un elemento químico abundante, distribuido geográficamente de manera homogénea en el mundo y de bajo coste. Por lo tanto, en cuanto a la abundancia de recursos y componentes, el uso limitado de materias críticas y el coste de partida de sus materias primas, las SIBs presentan claras ventajas, respecto a las baterías actuales, como pueden ser las LIBs, las de plomo-ácido (Pb-Ácido) o las de Níquel-cadmio (Ni-Cd), tal y como se muestra en la siguiente tabla 1.

Tabla 1. Comparativa en cuanto a abundancia, distribución y toxicidad de los recursos y componentes de las baterías de ion Li-ion, Pb-ácido, Ni-Cadmio y Na-ion.

En realidad, no se trata de una tecnología completamente nueva, ya que los primeros materiales para SIBs se empezaron a estudiar conjuntamente con los materiales para LIBs, en 1980, cuando Claude Delmas y sus colaboradores descubrieron los óxidos laminares de metales de transición NaM_TO₂ (M_T = metal de transición o combinación de varios M_T), análogos a los compuestos LiM_TO₂ postulados por el Premio Nobel John Goodenough (quien comparte investigaciones con Michel Armand, investigador del CIC energiGUNE). En la figura 1 se muestra un esquema característico de los componentes que forman una batería de Na-ion.

Figura 1. Esquema de una batería de Na-ion

Estos primeros estudios permitieron a Akira Yoshino desarrollar la primera LIB (LiCoO₂ como cátodo y grafito como ánodo), y que, posteriormente, fue comercializada por Sony en 1991.

Desafortunadamente, la no intercalación de iones sodio en el grafito se convirtió en un cuello de botella para el desarrollo de las SIBs, y no fue hasta el siglo XXI, en el momento que D. A. Stevens y J. R. Dahn descubrieron que los iones de sodio podían intercalar en carbones duros desordenados, cuando la tecnología de iones de sodio a temperatura ambiente renació.

A pesar de ello, realmente no fue hasta 2010, junto con la necesidad de una tecnología complementaria a la de las baterías de litio, cuando realmente hubo un punto de inflexión y el concepto de SIBs recobró interés, siendo las LIBs un espejo donde mirarse. 

Al estar el sodio a continuación del litio en el grupo de los alcalinos en la tabla periódica, cabe esperar similitudes en términos de química, tecnología y rendimiento. De hecho, se podrían utilizar las mismas infraestructuras industriales (misma tecnología de producción) que para las baterías de litio y, por tanto, minimizar el coste de la industrialización, a medida que se consiguieran los efectos de las economías de escala.

Sin embargo, presentan algunas diferencias. Si bien las baterías de sodio tienen claras ventajas frente a las LIBs en cuanto a su potencial coste, sostenibilidad, menor uso de materias críticas y abundancia, el mayor radio del sodio y su menor potencial redox 0.3 V proporcionan, como consecuencia, una menor densidad de energía que las LIBs.

En cualquier caso, las baterías de sodio poseen ventajas suficientes para poder estar en el grupo de cabeza de la próxima generación de baterías para aplicaciones estacionarias, donde las limitaciones volumétricas son menores y el coste, la seguridad y una larga vida útil se convierten en parámetros críticos.

En próximos artículos del blog, analizaremos cuáles son los retos y oportunidades que ofrecen los diferentes materiales de este tipo de baterías, y dónde se centran las investigaciones de las futuras baterías de Na-ion en CIC energiGUNE.