Las baterías de iones de litio han dominado durante mucho tiempo (y siguen dominando) el mercado de las baterías no sólo para vehículos eléctricos, también para el almacenamiento estacionario de energía y electrónica de consumo. Las baterías de sodio se presentan como una alternativa más asequible y abundante, pero tenían un problema estructural. Un problema que parece haberse resuelto.
Con la rápida expansión de los vehículos eléctricos, especialmente en China, se proyecta una escasez de suministro de litio en los próximos cinco a diez años. Por esa razón, las baterías de sodio se presentan como una alternativa interesante: están hechas de un material mucho más abundante y más fácil de conseguir, lo que redunda en baterías mucho más baratas de fabricar.
Tienen también una larga vida útil y una densidad energética comparable a la del cátodo de fosfato de hierro y litio (baterías LFP) que se utiliza actualmente en muchas baterías de iones de litio. Pero a pesar de su potencial, las baterías de iones de sodio han enfrentado obstáculos críticos en su desarrollo, particularmente relacionados con la rápida degradación de los cátodos al someterse a múltiples ciclos de carga y descarga.
Una investigación liderada por el equipo de Laboratorio Nacional Argonne parece haber conseguido resolver este problema. El equipo ha diseñado un cátodo de óxido de sodio, basado en un modelo anterior utilizado en baterías de iones de litio, conocido por su capacidad de almacenamiento de energía y durabilidad. La clave de este diseño radica en la composición microscópica del cátodo, que combina metales de transición como níquel, cobalto, hierro y manganeso. Estos metales están dispuestos de manera no uniforme: el núcleo del cátodo es rico en níquel y está rodeado por una capa de manganeso y cobalto, lo que optimiza tanto la capacidad de almacenamiento de energía como la estabilidad estructural.
Sin embargo, en pruebas iniciales, los investigadores detectaron un problema persistente: la formación de grietas en las partículas del cátodo durante el proceso de carga y descarga, debido a la tensión entre la capa y el núcleo. Para mitigar este problema, el equipo de Argonne hizo unos ajustes utilizando una versión de las partículas con metales distribuidos en un gradiente y otra versión con una distribución uniforme de los mismos.
El proceso de análisis y síntesis del cátodo incluyó el calentamiento de los materiales precursores a 600º C y el monitoreo constante de las estructuras mediante tecnologías avanzadas de rayos X, como la Fuente Avanzada de Fotones (APS, por sus siglas en inglés).
El análisis reveló que las partículas de gradiente sufrían grietas a temperaturas bajas, de unos 250º C, principalmente debido a la tensión creada por la disposición desigual de los metales. En contraste, las partículas con una distribución uniforme no mostraron signos de grietas. El equipo descubrió que el factor crítico para prevenir estas grietas era la velocidad de calentamiento: mientras que una velocidad rápida de cinco grados por minuto generaba grietas, una velocidad más lenta, de un grado por minuto, las eliminaba por completo.
Este avance permitió que el cátodo mantuviera un alto rendimiento durante más de 400 ciclos de carga y descarga en celdas pequeñas, lo que representa un paso importante hacia baterías de iones de sodio más duraderas y eficientes. "Prevenir las grietas en el cátodo durante la síntesis tiene enormes beneficios para su rendimiento a largo plazo", explicó Gui-Liang Xu.
A pesar de que las baterías de iones de sodio aún no alcanzan la densidad energética necesaria para tener grandes autonomías en vehículos eléctricos, Xu señala que son ideales para aplicaciones urbanas. Además, el equipo de Argonne está trabajando en la eliminación del níquel en el cátodo, lo que reduciría aún más los costes y haría que las baterías sean más sostenibles.
Khalil Amine, miembro de Argonne, subrayó que las futuras baterías de iones de sodio tendrán un bajo coste, una larga vida útil y una densidad energética comparable a las baterías de fosfato de hierro y litio, utilizadas actualmente en muchas baterías de iones de litio.
