Barato y abundante, el sodio es un candidato prometedor para la nueva tecnología de baterías. Pero el limitado rendimiento de las baterías de iones de sodio ha dificultado su aplicación a gran escala.
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Ahora, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía ha desarrollado una batería de iones de sodio con una longevidad muy superior en las pruebas de laboratorio. Un ingenioso cambio en los ingredientes que componen el núcleo líquido de la batería evita los problemas de rendimiento que han afectado a las baterías de sodio.
Los hallazgos, descritos en la revista Nature Energy, proporcionan una receta prometedora para una batería que algún día podría alimentar vehículos eléctricos y almacenar energía del sol.
«Aquí hemos demostrado en principio que las baterías de iones de sodio tienen el potencial de ser una tecnología de baterías de larga duración y respetuosa con el medio ambiente», dijo el autor principal del PNNL, Jiguang (Jason) Zhang, un pionero de las tecnologías de baterías con más de 23 inventos patentados en la tecnología de almacenamiento de energía.
La sal adecuada
En las baterías, el electrolito es la «sangre» circulante que mantiene el flujo de energía. El electrolito se forma al disolver sales en disolventes, lo que da lugar a iones cargados que fluyen entre los electrodos positivo y negativo. Con el tiempo, las reacciones electroquímicas que mantienen la energía fluyendo se vuelven lentas, y la batería ya no puede recargarse. En las tecnologías actuales de baterías de iones de sodio, este proceso ocurre mucho más rápido que en las baterías similares de iones de litio.
El equipo del PNNL, dirigido por los científicos Yan Jin y Phung Le, atacó ese problema cambiando la solución líquida y el tipo de sal que fluye por ella para crear una receta de electrolito totalmente nueva.
En las pruebas de laboratorio, el nuevo diseño demostró ser duradero, manteniendo el 90 por ciento de la capacidad de su celda después de 300 ciclos a 4,2 V, lo que es más alto que la mayoría de las baterías de iones de sodio que se han registrado anteriormente.
La receta actual del electrolito para las baterías de iones de sodio hace que la película protectora del extremo negativo (el ánodo) se disuelva con el tiempo. Esta película es fundamental porque permite el paso de los iones de sodio y preserva la vida de la batería. La tecnología diseñada por el PNNL funciona estabilizando esta película protectora. El nuevo electrolito también genera una capa protectora ultrafina en el polo positivo (el cátodo) que contribuye a la estabilidad adicional de toda la unidad.
Tecnología no inflamable
La nueva tecnología de iones de sodio desarrollada por el PNNL utiliza una solución naturalmente ignífuga que también es impermeable a los cambios de temperatura y puede funcionar a altos voltajes. Una de las claves de esta característica es la capa protectora ultrafina que se forma en el ánodo. Esta capa ultrafina se mantiene estable una vez formada, lo que proporciona la larga vida útil de la que se habla en el artículo de investigación.
«También medimos la producción de vapor de gas en el cátodo», dijo Phung Le, químico de baterías del PNNL y uno de los autores principales del estudio. «Encontramos una producción de gas muy mínima. Esto proporciona nuevos conocimientos para desarrollar un electrolito estable para las baterías de iones de sodio que pueden funcionar a temperaturas elevadas».
Por ahora, la tecnología de iones de sodio sigue estando por detrás del litio en cuanto a densidad energética.
Pero tiene sus propias ventajas, como la impermeabilidad a los cambios de temperatura, la estabilidad y el largo ciclo de vida, que son valiosas para las aplicaciones de ciertos vehículos eléctricos ligeros e incluso para el almacenamiento de energía en la red en el futuro.
El equipo de investigación sigue perfeccionando su diseño. Le señaló que el equipo está experimentando con otros diseños en un esfuerzo por reducir -y eventualmente eliminar- la necesidad de incluir cobalto, que es tóxico y caro si no se recupera o recicla.
Además de Jin, Le y Zhang, el equipo de investigación del PNNL estaba formado por Peiyuan Gao, Yaobin Xu, Biwei Xiao, Mark H. Engelhard, Xia Cao, Thanh D. Vo, Jiangtao Hu, Lirong Zhong, Bethany E. Matthews, Ran Yi, Chongmin Wang, Xiaolin Li y Jun Liu.
El estudio contó con el apoyo de la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables del Departamento de Energía, Oficina de Tecnologías de Vehículos. Los estudios de imagen se realizaron en el EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Medioambientales, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en el PNNL patrocinada por la Oficina de Investigación Biológica y Medioambiental.
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