Fabricantes de baterías y de automóviles buscan materiales con los que lograr baterías más eficientes, con mayor densidad energética (por ende mayor autonomía) y, sobre todo, que sean más económica. Es ahí donde entran en juego las baterías de sodio.
La industria y los investigadores en baterías trabajan a marchas forzadas para dar con nuevas tecnologías que den lugar a coches eléctricos más baratos o de mejores capacidades. Ya hemos visto, por ejemplo, las baterías LFP de litio ferrofosfato o las de estado sólido. Las baterías de sodio-ion pueden convertirse también en un sistema de almacenamiento de energía de bajo coste, seguro y sostenible.
Los materiales que emplean las baterías convencionales de iones de litio pueden acarrear problemas sociales, económicos (emplean materias primas escasas y muy concentradas en determinados lugares del planeta) y también ambientales (el grafico y el cobalto son muy tóxicos). Las baterías de sodio cuentan con interesantes propiedades para tomar el relevo.
No es algo que digamos solamente nosotros. La consultora Deloitte indica en un informe que prevé un crecimiento de más del 671 % en la demanda de baterías de sodio de cara a 2025, están despertando mucho interés, tanto para usarse en aplicaciones estacionarias como en automoción. Por eso interesa conocerlas mejor.
El sodio
El sodio es un metal alcalino blando de un color plateado, muy abundante y muy distribuido en la naturaleza. Con número atómico 11 y símoilo Na, su química es muy similar a la del litio (ambos son alcalinos y están juntos en la tabla periódica) pero sin embargo no ha podido igualar prestaciones y rendimiento (por ahora) a las baterías de iones de litio.
Se trata también de un elemento importante en la química y la biología, al ser un electrolito que participa en diversos procesos bioquímicos del cuerpo humano. Se empezó a estudiar como material para las baterías de iones de litio en la década de 1980, pero hasta el siglo XXI no se redescubrió su potencial para almacenar energía.
Características de las baterías de sodio
A la hora de desarrollar baterías de sodio ha servido mucho todo el conocimiento de las baterías de iones de litio. En ambas, la batería consta de un ánodo y un cátodo. Los iones viajan entre los dos electrodos (ánodo y cátodo) para generar electricidad. ¿LA diferencia? Transporta la carga utilizando iones de sodio (Na+) en lugar de iones de litio (Li+).
Las baterías de iones de sodio constan de un cátodo basado en un material que contiene sodio, un ánodo (no necesariamente lo contiene) y un electrolito líquido que contiene sales de sodio disociadas en disolventes.
En la carga, los iones de sodio se desplazan del cátodo al ánodo, mientras que los electrones viajan por el circuito externo. Durante la descarga, se produce el proceso inverso. Cada ciclo incluye el transporte de iones de sodio desde el electrodo positivo al negativo (carga) y al revés (descarga).
Ventajas de las baterías de sodio
Las baterías de iones de sodio ofrecen distintas ventajas sobre las de litio. Resumiendo: son más sostenibles, más económicas y más seguras. Analicemos cada punto en detalle:
- Economía: El sodio es el sexto elemento más abundante en la tierra. Hay estudios que indican que es 1.200 veces más fácil que conseguir que el litio, pues se obtiene del carbonato de sodio y se puede encontrar en cualquier lugar, incluso en el agua del mar. Por eso que se piense tanto en él para almacenar energía a gran escala. Al haber tanto en el planeta y ser tan sencillo de conseguir… es barato. Eso puede hacer que la batería sea al menos un 30% más barata que una de iones de litio (o menos si la producción de baterías aumenta escalas).
- Seguridad: Las baterías de sodio no son inflamables al no ser un mineral corrosivo, no no hay riesgos de sobrecalentamiento o de fuga térmica (que es lo que acaba produciendo los fallos y que haya incendios o explosiones en las celdas), son muy estables. Eso ayuda no solamente en caso de choque, sino en el transporte de las baterías desde las fábricas a los puntos de ensamblaje (con terminales de la batería conectados y el voltaje en cero.
- Estabilidad: Este tipo de baterías ofrecen mejor rendimiento y pueden funcionar en un rango de temperatura más amplio. Sobre todo, son más eficaces que las de litio en climas fríos. Un dato: a -20º C, a una batería de iones sodio conserva el 90% de su capacidad nominal.
- Sostenibilidad: No son tóxicas, o por lo menos mucho menos que las convencionales. Una batería de iones de sodio libera gases muy contaminantes al arder. No necesitan cobalto, cobre o níquel materiales muy perniciosos y difíciles de reciclar, sino que se pueden fabricar con metales como hierro y manganeso, abundantes y no tan nocivos. Además es más fácil de reciclar que el litio. ¿Otro punto a favor? Podrían fabricarse en las mismas líneas de producción que las baterías de litio, no habría que hacer inversiones de calado para cambiar las instalaciones.
- Adaptabilidad: Pueden usarse en diferentes aplicaciones. Desde almacenar energía en hogares y empresas, almacenamiento en red, energía de respaldo o automoción (se recargan bastante rápido).
Problemas de las baterías de sodio
Ojo, que si has leído hasta aquí parece que son la panacea, pero también tienen problemas:
- Densidad energética: Llevamos baterías de litio en ordenadores portátiles, teléfonos móviles o vehículos porque este mineral puede almacenar mucha energía en poco espacio (o más bien, los humanos hemos descubierto antes cómo hacerlo con ese material antes que con otros). El sodio no puede almacenar tanto y es más pesado por eso hoy, las baterías de litio pueden almacenar casi el doble de energía que las baterías de sodio por baja densidad de energía.
En 2021 las baterías de sodio de primera generación almacenaban en torno a un 40 % de energía que las de litio, con una densidad de 150 Wh/kg. Hoy ya presentan cifras de hasta 200 Wh/kg. Con investigación pueden ir mejorando, como ha ocurrido con las baterías LFP.
- Degradación: Su gran talón de Aquiles… Soportan pocos ciclos de carga antes de tener que cambiarse y está por ver qué ocurre con cargas rápidas en corriente continua.
Recordamos que las baterías de litio tienen bastante recorrido pero las baterías de sodio son bastante nuevas en el panorama comercial. No existe actualmente cadena de suministro industrial robusta que pueda ir resolviendo y mejorando estos problemas bastante críticos. Recordemos que tanto el litio (Li) como el sodio (Na) están en el mismo grupo de metales alcalinos dentro de la tabla periódica. Por eso tienen propiedades químicas y tecnológicas similares. Con investigación y mayores economías de escala se pueden ir equiparando los rendimientos.
Las baterías de sodio en automoción
La industria de automoción ve con esperanza las baterías de sodio es esperanzador para la industria del automóvil. Tienen una tensión nominal de 3,6 voltios, similar a las de litio, y pueden tener una energía específica de 400 Wh/kg, el doble que las de iones de litio.
Las celdas de una batería de iones de sodio han sido probadas en configuraciones similares a las de iones de litio, con capacidades de hasta 350 mA-hr/g, superiores a las primeras. Hablamos siempre de ensayos en laboratorio.
¿Entonces por qué no las vemos ya en vehículos? Porque por ahora tienen una vida útil muy limitada, por esa degradación que indicábamos. Eso las hace inviables a día de hoy en automoción. Pero ojo, que podrían mezclarse con las de litio para crear baterías mixtas, no son incompatibles.Se espera que en movilidad (al menos a corto y medio plazo) pueda servir para vehículos urbano. En principio su mercado principal, donde muestra más potencial es como almacenamiento para balancear y estabilizar la red eléctrica. En países como España, con mucha producción eléctrica renovable, resulta muy interesante esta tecnología que usa materias primas tan abundantes y fáciles de extraer.
Fabricantes de baterías de sodio
En los últimos 20 años, más del 50% de la actividad investigadora patentada en el campo de las baterías de sodio-ion se ha registrado en China (52,71%), seguida por Japón (16,39%) y EE.UU. (12,7%). Europa está más atrasada.
Actualmente varias empresas fabrican baterías de iones de sodio. Pero hay tres actores principales:
- Faradion: Con sede en Reino Unido, fue la primera empresa del mundo en comercializar la tecnología de iones de sodio. Especializada en tecnología de celdas de iones de sodio no acuosas y posee muchas patentes. Ofrece soluciones eficientes de energía de respaldo y transporte eléctrico de bajo costo, hasta almacenamiento residencial e industrial.
- Natron Energy: Empresa de California (EE.UU.) que desarrolla baterías para telecomunicaciones y centros de datos. Destaca su tecnología de iones de sodio azul de Prusia (un pigmento conocido por dar el tono azul a los planos, empleado ya en grabados en madera japoneses tradicionales). Este material puede mejorar el rendimiento, de ahí que se plantee expandir sus aplicaciones a la movilidad eléctrica. Anuncian una densidad de potencia «entre la de plomo-ácido y la de iones de litio», con cargas súper rápida del 0 al 99 % en tan solo ocho minutos y una vida útil de más de 50.000 ciclos, entre cinco y 25 veces mayor que las de iones de litio.
- CATL: Con sede en China, lanzó su primera batería de sodio en julio de 2021 y en 2023 anuncia el inicio de producción comercial en 2023. Además, presentó una solución de paquete de baterías AB (integración de celdas de iones de sodio y celdas de iones de litio en un solo paquete). Con este enfoque se esperan que los coches eléctricos con baterías de sodio anuncien autonomías de unos 500 km.
CATL ya ha anunciado su primer cliente en el sector de la automoción: Chery. Supone un punto de inflexión, pues no se las veía en transporte más allá de motocicletas, bicis eléctricas o patinetes. Se habla de aplicarse en un vehículo urbano con una autonomía alta, pero no extraordinaria.
Fuentes: Investing News, CICE, CATL, Natron Energy