La Agencia Internacional de la Energía (IEA, de sus siglas en inglés) ha asegurado en varias ocasiones que en los próximos 25 años viviremos un crecimiento en la demanda de baterías sin precedentes impulsado, precisamente, por la popularización del uso de las energías renovables y del coche eléctrico, entre otras tendencias.

Para hacernos una idea de la demanda que se espera que tengan estos sistemas de almacenamiento de energía a medio plazo, en 2019 la demanda de baterías para el coche eléctrico supuso un total de 80 GWh. Pues bien, este organismo internacional estima que la demanda de baterías para el coche eléctrico superará los 3.000 GWh (40 veces mayor) para el año 2030, y alcanzará los 9.000 GWh (120 veces más que lo que se demanda hoy en día) dentro de 15 años.

La espectacularidad de los datos se vincula directamente con la ola de renovables que se avecina (que se prevé un aumento de 250 veces, alcanzando los 2.000 GWh para el 2040), pero, como cabe esperar, la principal fuente de la demanda de baterías se sitúa el sector asociado al vehículo eléctrico.

El hecho de que la demanda de energía para el almacenamiento estacionario sea la que más vaya a crecer, junto a las complejidades que se vinculan a la industrialización de las baterías de iones de litio, hace necesario el desarrollo de nuevas tecnologías de baterías que complementen a las ya mencionadas hegemónicas baterías de litio-ion.

Para ello, las baterías de iones de sodio se postulan como una tecnología tan válida como la basada en el litio para abastecer la demanda de energía de un área tan exigente como la del almacenamiento estacionario (puntos de recarga del vehículo eléctrico, autoconsumo, iluminación, energías renovables…)

De cara a entender la perfecta armonía que se presenta entre ambas tecnologías, es importante resumir, en primer lugar, cuáles son las principales fortalezas de las baterías de sodio-ion. Una vez conocidas, será más fácil plantear qué retos deberá afrontar la industria y, especialmente, cómo superarlos.

FORTALEZAS DE LAS BATERÍAS DE SODIO-ION

1) Tanto el litio (Li) como el sodio (Na) pertenecen, dentro de la tabla periódica, al mismo grupo de metales alcalinos. Esto se traduce en que presentan propiedades químicas, tecnológicas y de rendimiento muy similares, de tal manera que, para empezar a industrializar la fabricación de este tipo de baterías, podrían aprovecharse las infraestructuras utilizadas para la fabricación de baterías de iones de litio. Así, maximizando la producción industrial de esta tecnología, se alcanzarían las economías de escala correspondientes, minimizando al máximo el gran obstáculo que supone el coste de industrialización.

2) Los materiales a partir de los cuales se elaboran las baterías de litio-ion están catalogados como críticos. Uno de los principales objetivos planteados por Europa para el desarrollo sostenible, es la reducción en el uso de este tipo de materias primas críticas (CRM, en inglés). Éstas, además de ser cada vez más escasas, se encuentran en países subdesarrollados o en conflicto, que usan este mercado como vía de financiación y enriquecimiento. Las baterías de iones de sodio, en cambio, usan materiales sostenibles, muy abundantes en la naturaleza y de bajo coste.

3) Las baterías de sodio-ion, por las propiedades químicas de los elementos que las componen, proporcionan un sistema de almacenamiento de energía de bajo coste, seguro y, como ya hemos dicho, sostenible. Todos estos atributos la convierten, por ejemplo, en una tecnología muy adecuada para el almacenamiento de las energías renovables. Las propiedades de las baterías de iones de litio, por su parte, resultan idóneas para el vehículo eléctrico (en gran parte, gracias a su elevada densidad energética).

Por su parte, uno de los principales retos a los que se enfrentan las baterías de sodio es la necesidad de desarrollar el mercado de componentes. Hoy en día, son pocos los fabricantes -2 ó 3 proveedores a nivel mundial- que se encargan de transformar esta materia prima y darle el formato adecuado para la industria de las baterías. En la actualidad, la empresa europea E-lyte es uno de los agentes principales dedicados a la transformación del sodio en Europa; no obstante, procede de mercados asiáticos. Por eso, para la industrialización de esta tecnología en Europa, es necesario contar con más y mejores aliados europeos que produzcan sodio “Battery Grade”.

Lo que queda claro con esto es que, ante la gran demanda de energía esperada, cuantas más sean las alternativas presentes en el mercado, más fácil es que lleguen a complementarse entre sí para abastecer las necesidades energéticas.

Por tanto, y aunque en los últimos meses se han llevado a cabo prometedores anuncios por parte de empresas internacionales que ya están trabajando en tecnologías asociadas a las baterías de iones sodio, aún es necesario seguir investigando para poder llegar a ser totalmente complementarias a las tecnologías basadas en litio-ion. De esa manera, se lograrían soluciones muy competitivas capaces de hacer frente, en las distintas aplicaciones, a la creciente demanda del mercado.

Como se puede apreciar en la imagen inferior, la complementariedad entre ambas tecnologías es prometedora. El desarrollo de las tecnologías de sodio-ion y su industrialización, hace prever que las baterías de sodio podrían llegar donde no alcanzan las baterías de litio, y viceversa.

ACTIVIDAD CIENTÍFICA: CLAVE PARA AFRONTAR EL DESAFÍO

Por suerte, el creciente interés que emana de los mercados por este tipo de tecnologías está teniendo su traducción directa en la evolución de la actividad investigadora para este fin.

Y a pesar de que, en los últimos 20 años, más del 50% de la actividad investigadora patentada en el campo de las baterías de sodio-ion se ha registrado en China (52,71%), seguida por Japón (16,39%) y EEUU (12,7%), Europa, empieza a avanzar también en esta dirección persiguiendo el objetivo de ser progresivamente cada vez más independiente del mercado asiático.

A nivel internacional, cabe destacar el papel desempeñado en este campo por el gigante asiático CATL. El anuncio de una segunda generación de baterías de sodio-ion, que se desarrollará en sus plantas de China y Alemania, ha supuesto todo un hito tanto para la empresa como para la industria en general. Esta segunda generación supone una auténtica revolución tecnológica, ya que se espera alcanzar una densidad energética de 200 kWh/kg, lo que supone que, por primera vez, se aproxime realmente a los valores de una batería de litio-ion. Mientras tanto, la firma trabaja en la producción de baterías de primera generación, con una densidad energética de 160 kWh/kg, que se espera que empiecen a comercializarse el próximo año.

No obstante, en la carrera hacia la transición energética el papel de los actores más pequeños también se convierte en trascendental. Gracias a su actividad científica y a su firme compromiso y apuesta por la electrificación, se están llevando a cabo importantes avances en este campo. Es el caso, por ejemplo, de la empresa Natron Energy (EEUU) o del centro de investigación CIC energiGUNE.

Por un lado, Natron Energy presenta un proyecto tecnológico, de crecimiento muy ambicioso, basado en el desarrollo de baterías para telecomunicaciones y centros de datos. No obstante, la firma ya se plantea expandir sus aplicaciones a un tercer estadio en un futuro: la movilidad eléctrica. La particularidad de estas baterías es el uso de electrolito acuoso proporcionando una menor densidad de energía, pero permitiendo alcanzar mayores densidades de potencia con una elevada estabilidad en el ciclado, además de ser más seguras y sostenibles.

El pasado mes de mayo llegaron a un acuerdo con el líder mundial tecnologías avanzadas de baterías de bajo voltaje, Clarios International Inc., para la producción en masa de baterías de sodio-ion en 2023. Esta acción estratégica es un ejemplo de cómo el mercado de las baterías de iones de sodio está avanzando hacia su industrialización. Es más, aunque en 2021 la empresa americana ya empezó a comercializar un primer producto (BlueTray 4000), en esta ocasión se trata de una primera toma de contacto con el escalado masivo de las baterías de sodio-ion, aprovechando, como hemos comentado, maquinaria que previamente se usaba para ensamblar baterías de litio-ion para reducir los costes y agilizar su inserción en el mercado.

En CIC energiGUNE, conscientes de la importancia de responder las necesidades del mercado, ofrecemos las mejores soluciones de almacenamiento de energía, para mejorar la competitividad del tejido industrial. Nuestro equipo de investigadores, plenamente conocedores de esta tecnología (desde el plano más fundamental hasta la prueba de concepto a gran escala), persiguen desarrollar, diseñar y optimizar las propiedades de los materiales en términos que determinarán las prestaciones de las baterías de iones de sodio, como la densidad de energía, la potencia o la ciclabilidad, entre otras. Todo ello con máximas como la sostenibilidad, el reciclaje y la economía circular para afrontar los retos futuros, al mismo tiempo que se cumplen los desafíos actuales.

Reflejo de ello son los dos proyectos en los que ya está trabajando CIC energiGUNE  destinados a seguir investigando sobre las cualidades y rendimiento de esta tecnología: TOPSIDES y NIB-MOVE. El primero de ellos, incluido en el Programa de I+D+i “Retos de la Sociedad” de la Agencia Estatal de Investigación, se centra en desarrollar una batería de metal-sodio en estado sólido, con cátodos de alto voltaje y ánodos alternativos "verdes" obtenidos a partir de residuos de plástico PET.

Por su parte, NIB-MOVE -financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación dentro del programa “Retos I+D+i”- persigue la identificación de materiales para la próxima generación de tecnologías de almacenamiento de energía electroquímica basados en sodio.

Esta apuesta de compañías y centros de investigación como CIC energiGUNE por las baterías de iones de sodio se refleja, igualmente, en la visión que el propio mercado tiene de esta tecnología. Es más, en una reciente encuesta llevada a cabo en las redes sociales de CIC energiGUNE, se puede comprobar cómo más del 60% de los usuarios que respondieron a ésta, confían en el sodio como la tecnología más prometedora para complementar al hegemónico litio.

Una previsión que es compartida por consultoras como Deloitte, que, en uno de sus últimos informes, prevé un crecimiento de la demanda del mercado de las baterías de iones de sodio de más de un 671% para el año 2025. Lo que supondría hasta un 75% de la cuota de mercado relacionada con las aplicaciones estacionarias.