Sodio sobre litio: La alternativa de bajo coste a las baterías de ión-litio

CATL ha presentado una pila de iones de sodio y tiene previsto iniciar su producción en 2023. ¿Cuáles son las ventajas y los inconvenientes de sustituir al litio? Christoph M. Schwarzer evaluó la tecnología hablando con expertos en baterías de P3 Automotive y con el Prof. Dr. Markus Hölzle de ZSW. ¡El potencial es enorme!

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Contemporary Amperex Technology Ltd. (CATL) ha realizado un "gran avance" con el establecimiento de la producción básica de células de iones de sodio, según su propia lectura. Y, en efecto, la sustitución del metal alcalino litio por el siguiente elemento de este grupo químico principal sería la oportunidad de una nueva y clara reducción de costes. Por ello, nuestro colaborador habló con los profesionales de baterías de P3 Automotive y con el Prof. Dr. Markus Hölzle del ZSW (Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno de Baden-Württemberg) para llegar a una valoración realista de las pilas de iones de sodio.

La propia CATL se pone específica en la presentación: la empresa china muestra la célula real y un sistema de baterías. Mezcla células de iones de litio y de sodio para compensar los puntos débiles de la primera generación. Por ejemplo, CATL afirma una densidad energética gravimétrica comparativamente baja de 160 Wh/kg. Se espera que la próxima generación supere los 200 Wh/kg; CATL aún no ha dicho cuándo.

Ánodo de carbono duro

"Los desarrolladores del CATL deben de haber conseguido resolver los problemas conocidos de las células de iones de sodio, que en principio no son nuevos", explica Markus Hölzle. Hölzle, doctor en electroquímica y trabajador de BASF durante mucho tiempo y a nivel internacional antes de incorporarse a ZSW, prosigue: "Por ejemplo, el 20% de la capacidad se ha perdido hasta ahora durante la primera carga", dice Hölzle. Probablemente, CATL ha logrado mejorar significativamente el carbono amorfo del lado del ánodo, el llamado carbono duro, en lo que respecta a las pérdidas irreversibles y la capacidad de carga rápida. Por tanto, cabe suponer que la investigación de materiales ha sido un éxito en este caso.

"En el lado del cátodo, se utiliza azul de Prusia, un colorante no tóxico, en un estado completamente mezclado con iones de sodio", explica además el profesor Hölzle. La ventaja: "Se utilizan materias primas de bajo coste en todo momento". No sólo se elimina el litio, sino también los metales típicos de los cátodos, como el níquel y el cobalto. A pesar de las desventajas, como la baja densidad energética, Hölzle se imagina las pilas de iones de sodio en toda clase de vehículos porque la industria automovilística siempre presta mucha atención a la relación entre costes y beneficios. Pero aún más interesantes y cercanas en el tiempo serían las aplicaciones estacionarias, como el almacenamiento en baterías para sistemas solares, porque la densidad energética desempeña sólo un papel menor en estas aplicaciones. Con baterías de iones de sodio de bajo coste, podrían realizarse grandes sistemas de almacenamiento en batería a precios aceptables.

Su conclusión: "Sospecho que CATL pasará realmente a la producción en serie. La empresa es, con diferencia, líder del mercado en China y tiene el claro objetivo de convertirse en el campeón mundial de las baterías. Para ello, varios centenares de científicos trabajan en el departamento de investigación propio del grupo en su sede de Ningde (China). Dado el tamaño y la reputación de CATL, es poco probable que esté exagerando en este aspecto", afirma Markus Hölzle.

Competencia de las células LFP de bajo coste

La consultora P3, que compara realmente todas las células disponibles, confirma ampliamente la opinión de ZSW. P3 cita tres ventajas de las pilas de sodio frente a las de iones de litio: Son más potentes en términos de rendimiento de carga y descarga y, por tanto, ofrecen ventajas para aplicaciones con elevados requisitos de potencia, como las baterías de a bordo, los vehículos pequeños y el almacenamiento estacionario para redes eléctricas con elevados requisitos de potencia, entre otras. Sin embargo, aún no son lo suficientemente adecuadas para los coches eléctricos, según P3. Tienen un rendimiento de primera a bajas temperaturas. Y su vida útil y estabilidad térmica, es decir, su seguridad, son muy elevadas. "Pero como la densidad energética no es comparable a la de las actuales baterías de iones de litio con cátodo NCM, la tecnología competitiva principal es la LFP", concluye la consultora.

Esto requiere una breve explicación: Con pocas excepciones, las células de iones de litio con un cátodo de níquel, cobalto y manganeso se han utilizado y se utilizan en los coches eléctricos de batería. Aunque la proporción de mezcla en el cátodo ha cambiado permanentemente, la estructura básica es similar. Tesla lleva algo menos de un año vendiendo el Modelo 3 SR+ con una batería de litio hierro fosfato. Esta química celular es extremadamente robusta, permite un empaquetado hermético en el sistema y tiene una estabilidad de ciclo muy alta.

Al poder prescindir del cobalto y el níquel, el precio desciende. Por otro lado, existen desventajas como una menor autonomía debido a la menor densidad energética -razón por la que el Modelo 3 es de autonomía estándar Plus y no de autonomía larga- y un rendimiento deficiente en condiciones de frío. No obstante, se rumorea que Tesla desplegará la segunda generación de células LFP ya a finales de año. El invierno mostrará qué mejoras se han realizado.

Ninguna aplicación a escala industrial hasta ahora

Volviendo a la evaluación de P3 sobre las baterías de iones de sodio: el grado de madurez hasta ahora es bajo, dijo, porque una mirada sobria revela que no hay ninguna aplicación a gran escala industrial. "Un buen número de empresas emergentes, desde Faradion en el Reino Unido, Altris en Suecia o Tiamat en Francia, están intentando comercializar esta tecnología", dijo P3. Ninguna lo ha conseguido todavía.

Si tiene éxito, la ventaja en costes podría ser de entre un diez y un 20% en comparación con el LFP: "La disponibilidad significativamente mayor de sodio, así como su extracción más sencilla y respetuosa con el medio ambiente y la eliminación del cobalto y el níquel en el material del cátodo pueden conducir a una reducción significativa de los costes de las células." P3 cree que también es posible una aplicación en vehículos de motor, pero por el momento la tendencia es hacia el almacenamiento estacionario.

Utilización de los procesos de producción existentes

No obstante, la realidad de su uso en un coche eléctrico de producción masiva podría llegar antes que la de las baterías de estado sólido: "Se estima que el correspondiente nivel de madurez para la industrialización a gran escala se alcanzará más rápidamente que, por ejemplo, con las All Solid State, ya que debido a la tecnología drop-in (mismas tecnologías de producción y combinaciones de materiales similares a las de las baterías de iones de litio) la escalabilidad puede calificarse de relativamente alta.

Ni ZSW ni P3 se comprometen actualmente a fijar un precio. Los optimistas, sin embargo, suponen un coste de $30 por kilovatio-hora. Es muy probable que CATL produzca células de iones de sodio a partir de 2023. Al mismo tiempo, en Alemania saldrán al mercado más coches eléctricos con células LFP. Volkswagen, por ejemplo, ya lo ha especificado para sus modelos básicos ID.1 e ID.2. Así pues, debido a su mejor rendimiento e incluso menor coste, al tiempo que son más respetuosas con el medio ambiente, las pilas de iones de sodio podrían convertirse en un competidor de las LFP en la segunda mitad de la década. Como siempre ocurre con las baterías, no hay motivos para la euforia. Pero hay motivos para confiar: por el momento, la reducción de costes es el aspecto más importante del despegue mundial de la electromovilidad.

Reportaje de Christoph M. Schwarzer, Alemania. Edición y traducción de Nora Manthey, Reino Unido.