Investigadores estadounidenses aumentan la densidad energética de las baterías de iones de sodio
En una modificación de los conocidos cátodos NMC para baterías de iones de litio, el desarrollo del laboratorio Argonne es un óxido de sodio-níquel-manganeso-hierro (NMF). En comparación con otras tecnologías de iones de sodio, el cátodo ofrece una densidad energética mucho mayor, suficiente para proporcionar a los coches eléctricos una autonomía de entre 180 y 200 millas (290 y 320 kilómetros) por carga.
En los cátodos NMC, los átomos están dispuestos en capas. Esta estructura facilita la inserción y extracción de iones de litio entre las capas. Basándose en los resultados de un total de diez años de trabajo de investigación con baterías de iones de sodio, el equipo dirigido por el químico principal Christopher Johnson ha desarrollado un cátodo de óxido estratificado específico para baterías de iones de sodio.
El cátodo NMF también debería aumentar la vida útil
La estructura en capas del cátodo NMF debería permitir la inserción y extracción eficaces de iones de sodio, según afirma el Laboratorio Nacional de Argonne en el comunicado de prensa. Y como el material del cátodo no contiene cobalto, también deberían mitigarse "las preocupaciones sobre el coste, la escasez y la toxicidad asociadas a este elemento".
Los investigadores también quieren haber eliminado otra desventaja de las anteriores pilas de iones de sodio: su corta vida útil. Con el nuevo material del cátodo, las pilas de iones de sodio alcanzan un número de ciclos de carga y descarga similar al de sus homólogas de iones de litio. "Ahora hemos superado la fase de laboratorio y estamos preparados para someter nuestro cátodo a pruebas dentro de celdas de batería similares a las de una batería de vehículo eléctrico real", afirma Johnson. Estas pruebas se llevarán a cabo en las instalaciones de análisis, modelado y creación de prototipos de células de Argonne.
Las ventajas del sodio como material para baterías son bien conocidas: el sodio es mucho más abundante en la naturaleza y es más fácil de extraer que el litio. Como resultado, cuesta sólo una fracción del coste por kilogramo y es significativamente menos susceptible a las fluctuaciones de precios o a las interrupciones en la cadena de suministro. "Nuestras estimaciones sugieren que una batería de iones de sodio costaría un tercio menos que una de iones de litio", afirma Johnson. Además, el material del cátodo contiene predominantemente hierro y manganeso junto con el sodio.
Se trata de una cuestión que el equipo de investigación no puede resolver físicamente: El sodio metálico es unas tres veces más pesado que el litio. Esto aumenta el peso de la batería y, por tanto, reduce la autonomía. Johnson subraya que, aunque la batería de iones de sodio puede no resultar atractiva para quienes buscan grandes autonomías, sí podría atraer a los consumidores preocupados por el precio, sobre todo a los habitantes de las ciudades cuyos desplazamientos diarios rara vez superan los 300 kilómetros.
Con la mayor densidad energética del cátodo, los investigadores estadounidenses ya han dado un paso importante para que las baterías de iones de sodio resulten atractivas para más segmentos de vehículos. Según el comunicado de prensa, el equipo de Johnson ya está desarrollando nuevos materiales para los otros dos componentes principales de una batería -el electrolito y el ánodo- con el fin de aumentar aún más la densidad energética.
Actualización 30 de septiembre de 2024
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne han informado de los avances en el desarrollo de su nuevo material catódico para baterías de iones de sodio. Afirman haber superado un problema fundamental: la capacidad de almacenamiento de energía del cátodo que contiene sodio disminuye rápidamente con las descargas y cargas repetidas. Según los científicos, esto se debe a grietas en las partículas del cátodo durante el proceso de síntesis. Lo lograron encontrando "condiciones de tratamiento térmico".
"Las perspectivas parecen muy buenas para unas futuras baterías de iones de sodio no sólo de bajo coste y larga duración, sino también con una densidad energética comparable a la del cátodo de fosfato de hierro y litio que se utiliza actualmente en muchas baterías de iones de litio", afirmó Khalil Amine, miembro distinguido de Argonne. "Esto daría lugar a vehículos eléctricos más sostenibles con una buena autonomía de conducción".
El equipo trabaja ahora en la eliminación del níquel del cátodo, lo que reduciría aún más los costes y sería más sostenible.
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