¿Por qué cambiar las baterías de iones de litio?

Tradicionalmente, las baterías de iones de litio han sido el caballo de batalla del almacenamiento de energía, satisfaciendo las prometedoras demandas energéticas de la sociedad. Desgraciadamente, no pueden alcanzar la escala de mejora transformadora necesaria debido a: (i) el limitado suministro geográfico de litio (con el consiguiente aumento del coste), (ii) la escasez de cobalto y (iii) la limitada capacidad de almacenamiento de energía.

Su adopción generalizada se enfrenta a importantes obstáculos, lo que merma su potencial de implantación a gran escala. Aquí entra el atractivo de las baterías de sodio-aire/O2.

Desvelando el potencial de las baterías de Na-aire/O2

Las baterías de Na-aire/O2 ofrecen un cambio de paradigma en la dinámica del almacenamiento de energía. Las baterías de Na-aire/O2 abordan directamente los problemas señalados anteriormente debido a: (i) la gran abundancia de sodio (Na) y su bajo coste (~30 veces más barato que sus homólogas de litio), (ii) la ausencia de necesidad de cobalto, y (iii) su alta densidad energética teórica como resultado del uso de un cátodo de aire ligero.

Las baterías de Na-aire/O2 presentan ca. 5-10 veces superior a la de las baterías de Li-ion y Na-ion (1.605/1.108 frente a 100-265 y ~150 Wh kg-1, respectivamente), ya que el material activo se toma del entorno (O2).

Principios de funcionamiento y mecanismos de las baterías de Na-aire/O2

Una batería de Na-aire/O2 consta de tres elementos clave: un ánodo de sodio metálico, un cátodo de aire poroso y un electrolito que actúa como separador entre ambos. El funcionamiento de las baterías de Na-O2 basadas en superóxidos sigue principalmente las ecuaciones (I) y (II):

Na+ + O2 + e- ↔ NaO2 (Eº = 2,27 V) (I)

2Na+ + O2 + 2e- ↔ Na2O2 (Eº = 2,33 V) (II)

El inicio de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) implica típicamente un proceso de reducción de un electrón, dando lugar a aniones superóxido (O2-) que reaccionan con cationes de metal de sodio (Na+) de la reacción de oxidación del ánodo para formar el producto de descarga (NaO2). Durante la descarga, el ánodo metálico de sodio se oxida, liberando iones Na+, mientras que el cátodo facilita la ORR utilizando el oxígeno disponible en los límites de la triple fase (electrodo de aire/O2/electrolito).

Se proponen dos mecanismos principales, el mediado por la solución y el mediado por la superficie, para la formación del producto de descarga NaO2. Además, se reconoce ampliamente que la selección del electrolito es fundamental, ya que la forma, el tamaño y el mecanismo de formación del producto de descarga de NaO2 dependen en gran medida de las propiedades fisicoquímicas del electrolito.

Afrontar los retos con decisión

Los retos a los que se enfrentan las baterías de Na-aire/O2 son notables, pero no imposibles. Se han identificado problemas como la inestabilidad del electrolito líquido, el cruce O2/O2-, la pasivación del ánodo de sodio y el crecimiento dendrítico, y se están abordando activamente. Estrategias como la exploración de electrolitos en estado sólido (SSE), la mitigación del cruce O2/O2-, la protección del ánodo de Na y la mejora de la interfase electrolítica sólida (SEI) se están estudiando como posibles soluciones.

El papel de OXBLOLYTE

Aquí radica la importancia del proyecto OXBLOLYTE, encabezado por CIC energiGUNE. Esta beca postdoctoral europea pretende revolucionar los NaB mediante el desarrollo de electrolitos en estado sólido. El Dr. Mohamed Yahia, experto en membranas poliméricas, y la Dra. Nagore Ortiz-Vitoriano, especialista y líder de línea de investigación en baterías metal-aire, dirigirán el proyecto OXBLOLYTE con el objetivo de mitigar el cruce de oxígeno y mejorar la estabilidad de las baterías.

El principal objetivo de OXBLOLYTE es identificar y demostrar un electrolito de membrana sólida, un paso fundamental hacia baterías de Na-aire/O2 de estado sólido estables y de alto rendimiento. Al desentrañar la comprensión mecánica de los sistemas de baterías de Na-aire/O2 en estado sólido, el proyecto se aventura en territorios inexplorados, ampliando los límites de la investigación sobre almacenamiento de energía.

Los retos del futuro

Aunque se están haciendo progresos, los retos futuros de la tecnología de baterías de Na-aire/O2 son enormes. Es preciso comprender y abordar a fondo mecanismos fundamentales como la química de los productos de descarga, el crecimiento dendrítico, el cruce de O2, las propiedades de los electrolitos y la estabilización química de las baterías. Se presenta una hoja de ruta en la que se esbozan futuras direcciones para superar estos retos, con el objetivo de aprovechar plenamente el potencial de las baterías de Na-aire/O2 como opción viable para la energía renovable y la comercialización a escala industrial.

Ahora que nos encontramos en el límite de una revolución de las energías renovables, no se puede exagerar la importancia del almacenamiento de energía. Las baterías de Na-aire/O2, con su potencial para superar las limitaciones de las baterías tradicionales de iones de litio, ofrecen una visión de un futuro alimentado por soluciones energéticas sostenibles. Gracias a iniciativas pioneras como OXBLOLYTE, estamos más cerca de hacer realidad esta visión, iluminando el camino hacia un mañana más verde y sostenible.