En la última década, investigadores de todo el mundo han centrado sus esfuerzos en el desarrollo de tecnologías de baterías "más allá del litio" para aumentar, o en determinadas situaciones sustituir, las baterías de iones de litio. La demanda de energía es cada vez mayor y son necesarias nuevas soluciones que permitan el uso de energías renovables, posibilitando así una transición limpia hacia la descarbonización. En este escenario, las baterías de metal-oxígeno-aire (M-O₂/aire) tienen la capacidad de desempeñar un papel importante en el desarrollo de aplicaciones tanto estacionarias como de movilidad, debido a su alta densidad energética teórica en comparación con los sistemas actuales.

La ventaja inherente a las baterías de metal-aire es que el material activo del cátodo se absorbe del medio ambiente circundante (O₂), lo que confiere a las baterías de metal-aire una de las mayores densidades energéticas teóricas de todos los sistemas de baterías.

Entre las distintas químicas, la batería de Na-aire/O₂ (NAB) es un candidato prometedor con una densidad energética hasta 6 veces superior a la de las baterías de iones de litio (LIB) (~1600 Wh kg^-1 vs 250 Wh kg^-1). Además, el sodio es el sexto elemento más abundante en la corteza terrestre, lo que supone una importante ventaja económica y de recursos, sobre todo si se combina con la posibilidad de utilizar un colector de corriente de aluminio, que reduce los costes generales de producción y el peso de la batería.

Peled et al. descubrió la primera NAB en 2011 y desde entonces los esfuerzos de investigación se han centrado en la comprensión de los mecanismos de reacción que se basan en la reacción de reducción de oxígeno (ORR) durante la descarga y la reacción de evolución de oxígeno (OER) durante la carga, además de investigar nuevos electrodos y electrolitos.

A diferencia de las baterías de iones de litio, que se basan en la química de intercalación (un catión se intercala en los electrodos), las NAB almacenan su energía mediante la llamada reacción de conversión. Esto significa que se forma un nuevo sólido, es decir, un óxido. Normalmente, la configuración de la batería consiste en un ánodo que contiene sodio, un electrolito orgánico conductor de sodio y un cátodo de aire (véase la figura). El mecanismo de reacción implica que el gas oxígeno se disuelve en el electrolito y forma O₂^2-, que luego se combina con el Na⁺ para formar superóxido de sodio (NaO₂) (Na⁺ + O₂ + 1e- ↔ NaO₂). También se han descrito otros productos de descarga, como el peróxido de sodio (Na₂O₂) y peróxido hidratado (Na₂O₂·H₂O).

Hasta ahora, se han descrito dos mecanismos para la formación de estos óxidos. El mecanismo mediado por la superficie, en el que la ORR tiene lugar en la interfaz electrolito/cátodo, lo que conduce a la formación directa de productos de descarga en el cátodo de aire. Este proceso a menudo induce la formación de una película en el cátodo de aire que pasiva la superficie causando un rendimiento limitado de la batería.

Por el contrario, en el mecanismo mediado por la solución, la formación de los óxidos se produce en el electrolito donde se disuelve el superóxido (procedente de la reducción del oxígeno en el cátodo). Primero se forman pequeños núcleos en el electrolito y, a medida que crecen, acaban precipitando en la interfaz electrolito/cátodo formando los productos de descarga. Por lo tanto, el electrolito desempeña un papel importante en estos mecanismos de deposición.

Los principales retos en cuanto a la selección del electrolito son

• Entender la solubilidad, la coordinación y las interacciones entre el disolvente y el Na⁺: modificando estos parámetros se puede afinar la química del producto de descarga; por ejemplo, la formación de Na₂O₂ sobre NaO₂ conduciría a una densidad de energía mucho mayor.
• Ajustar las propiedades de transporte de masa: la conductividad y la viscosidad son muy importantes; de hecho, esta última es clave para la solubilidad del O₂.
• Permitir una interfase electrolítica sólida (SEI) estable utilizando aditivos electrolíticos para que el Na metálico pueda utilizarse como ánodo (logrando una mayor densidad energética).
• Minimizar la química parasitaria que se produce debido a la reactividad de los radicales de oxígeno con el electrolito. El uso de electrolitos híbridos compuestos por un glima y un líquido iónico ha demostrado ser una gran estrategia.

Actualmente, la gran mayoría de los estudios se han centrado en los electrolitos líquidos, que adolecen de las limitaciones mencionadas, además de su inflamabilidad y volatilidad, que deben tenerse en cuenta para las aplicaciones prácticas.

El uso de líquidos iónicos supera algunos de estos retos, pero debido a su mayor viscosidad, se necesita un co-disolvente. Por lo tanto, la investigación futura debería centrarse en el desarrollo de codisolventes respetuosos con el medio ambiente que puedan superar las limitaciones de los líquidos iónicos.

Otro campo de investigación es la sustitución de electrolitos líquidos por otros de base sólida, tanto poliméricos como cerámicos. En la literatura se han publicado pocos trabajos, pero podemos reconocer el uso de ionogeles como una estrategia prometedora. Los electrolitos poliméricos tipo gel ofrecen una amplia variedad de alternativas que pueden aumentar el rendimiento de las NAB y permitir la transición hacia soluciones más respetuosas con el medio ambiente que los disolventes utilizados actualmente.

En CIC energiGUNE, dentro de la línea de investigación metal-aire, primero investigamos los electrolitos utilizados actualmente para entender los parámetros críticos de los electrolitos NAB, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Posteriormente, hemos desarrollado nuevas formulaciones de electrolitos híbridos basados en líquidos iónicos con propiedades extraordinarias, en colaboración con la Universidad de Deakin. Los esfuerzos computacionales han sido clave para la comprensión general de las propiedades (disolución, coordinación, etc.) en los que hemos trabajado en colaboración con el grupo de Modelización y Simulación Computacional del CIC energiGUNE. Ahora, el reto al que nos enfrentamos es combinar las excelentes propiedades de estos electrolitos híbridos en una matriz de gel para desarrollar NAB de estado sólido.

Los NAB están todavía en sus primeras fases de desarrollo. Sin embargo, ya se han hecho grandes progresos en el desarrollo de los electrodos. Es ahora cuando hay que dar un paso adelante e investigar electrolitos sólidos que permitan superar los retos actuales.