Baterías de sodio: que son y como funcionan. ¿son una alternativa a las baterías de litio?

¿Qué son las baterías de sodio?, ¿Cómo funcioan?. Baterías de Sodio Vs Baterías de Litio: ¿son realmente una alternativa?

El litio se ha hecho con el mercado de los sistemas de almacenamiento de energía solar. Esto se observa tanto en la apuesta de los fabricantes por desarrollar baterías de litio, como en la expansión de estos sistemas de almacenamiento en hogares y empresas.

Esto ha supuesto un importante aumento en la demanda de este mineral; una demanda que no tiene visos de aminorar, sino todo lo contrario. De ahí que se empiece a hablar de una posible escasez de suministros del litio, que por la ley de la oferta y la demanda, se transformaría en una subida de los precios y consecuentes retrasos por la falta de abastecimiento.

Es por ello que desde hace unos años se están explorando materias primas alternativas al litio para la fabricación de sistemas de almacenamiento de energía. Y uno de estas alternativas son las baterías de iones de sodio. La abundancia relativa y el bajo costo del sodio lo posicionan como una buena opción para las tecnologías de baterías de próxima generación.

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En este artículo te explicamos en qué consisten las baterías de sodio y qué pueden ofrecer en relación a las baterías de litio.

¿Qué es una batería de sodio?

Una batería de sodio es una batería recargable que funciona de manera similar a la batería de litio; eso sí, transporta la carga utilizando iones de sodio (Na+) en lugar de iones de litio (Li+).

Las baterías de sodio, que se estudiaron por primera vez en la década de 1980, han recibido una atención considerable por su interesante potencial como alternativa de bajo costo a la tecnología de baterías de litio.

Debido a que el Li y el Na están en el mismo grupo alcalino, sus propiedades físicas y químicas/electroquímicas son bastante similares. No obstante, existen diferencias entre las baterías de una y otra química, como veremos más adelante.

¿Cómo funciona una batería de sodio?

Una batería consta de un ánodo y un cátodo. Una batería de sodio funciona según el principio de una reacción reversible entre los electrodos de una batería.

Al igual que una batería de litio, los iones de sodio viajan entre los dos electrodos (ánodo y cátodo) para generar electricidad. Por lo tanto, se recomiendan componentes estándar de material de ánodo y material de cátodo para lograr resultados óptimos.

¿Cómo funciona este proceso electroquímico? El principio de funcionamiento se basa en el “mecanismo de la silla mecedora” que implica los procesos de carga y descarga con oxidación y reducción en los electrodos.

En una batería de sodio, la fuente de iones de sodio es el electrodo positivo (cátodo) y la fuente libre de sodio es el electrodo negativo (ánodo). El proceso de carga transfiere los iones de sodio a través del electrolito al electrodo negativo.

La formación de la interfase de electrolito sólido (SEI) y la interfase de electrolito de cátodo (CEI) evitan la degradación continua de electrolito y preservan la funcionalidad de la celda.

La carga en curso libera más iones de sodio a través de mecanismos de absorción e intercalación hasta el punto de alcanzar un voltaje de fin de carga predeterminado. El proceso de descarga invierte el movimiento de los iones de sodio del electrodo negativo al positivo. Hay una disminución constante del voltaje de la celda hasta el punto de alcanzar un voltaje de corte definido.

Cada ciclo incluye el transporte de iones de sodio desde el electrodo positivo al negativo (carga) y al revés (descarga).

Baterías de sodio VS baterías de litio

Las baterías de litio han dominado el panorama de las baterías durante mucho tiempo. Y es muy probable que continúen dominando la cuota de mercado mundial en las aplicaciones de almacenamiento de energía de baterías portátiles y estacionarias en el futuro previsible. No obstante, progresivamente van ganando terreno otras tecnologías de baterías.

¿Por qué se está desplazando la atención de las baterías de litio a las baterías de sodio? A medida que se reduce la oferta de litio y componentes a base de litio, la disponibilidad limitada y los altos costos de extracción dificultan la fabricación y venta de baterías de litio.

Veamos algunas diferencias importantes entre las baterías de ambas químicas.

Ventajas de la batería de sodio

Las reservas limitadas de litio allanan el camino para el versátil y económicamente viable sodio para una variedad de aplicaciones de baterías. Veamos las principales ventajas de las baterías de iones de sodio.

• Abundantemente disponible: El metal alcalino es el sexto material más abundante en la Tierra. La disponibilidad abundante es la razón detrás de la I+D en constante crecimiento para el desarrollo y despliegue de baterías de sodio.
• Altamente adaptable: Las baterías de sodio se pueden utilizar para una amplia gama de aplicaciones de baterías; entre ellas: el almacenamiento de energía renovable para hogares y empresas; el almacenamiento en red; y energía de respaldo para empresas de datos y telecomunicaciones.
• Energía eficiente: Las baterías de sodio son muy eficientes energéticamente y pueden cargarse rápidamente sin comprometer la calidad del rendimiento.
• A prueba de fuego: Las celdas de iones de litio tienen un riesgo de sobrecalentamiento o de fuga térmica, lo que provoca fallas en la batería, explosión o incendio de la celda. La relativa estabilidad de las baterías de sodio marca la diferencia en este sentido.
• Alternativa de bajo costo: Los materiales de las baterías de litio son muy caros. En comparación, los componentes de las baterías de sodio son menos costosos. Se cree que una batería de sodio es más segura y un 30% más barata que su contraparte de iones de litio.
• Menos Tóxico: Los incendios de baterías de litio pueden liberar gases tóxicos al medio ambiente. Por el contrario, las baterías de sodio son seguras y ecológicas, ya que no requieren litio, cobalto, cobre o níquel.
• Estable: El sodio se ioniza fácilmente y las baterías de sodio son relativamente estables a temperaturas más amplias con una eficiencia de integración del sistema demostrable. Es decir, las baterías de sodio manejan mejor las temperaturas extremas que las baterías de litio; lo que las hace más adecuadas para condiciones climáticas extremas. Así, según el fabricante, a -20ºC la batería de sodio conserva el 90% de su capacidad nominal.

Desventajas de la batería de sodio

Si bien las baterías de litio existen desde hace bastante tiempo, las baterías de sodio son relativamente nuevas en el panorama comercial. La ausencia de una cadena de suministro industrial robusta y la situación actual del mercado no son adecuadas para la aplicación activa de baterías de sodio.

Dado que la tecnología de iones de sodio aún se encuentra en una fase de I+D en curso para mejorar su estabilidad estructural y resiliencia para aplicaciones comerciales, es crucial conocer las mayores desventajas de las baterías de sodio.

• Baja densidad de energía: La desventaja más importante es la baja densidad de energía en comparación con las baterías de litio. Se puede decir que las baterías de litio pueden almacenar casi el doble de energía que las baterías de sodio. Proporcionar una carga como una batería de litio actualmente no es factible para una batería de sodio, debido a su baja densidad de energía.
• Talla grande: Como el sodio es tres veces más pesado que el litio, los iones de sodio no pueden moverse fácilmente en el electrolito líquido. Esta es la razón detrás del mayor volumen de las baterías de sodio.

Aplicaciones de las baterías de sodio

Las investigaciones señalan que las baterías de iones de sodio podrán satisfacer las crecientes demandas de energía limpia y verde. De hecho, algunas de las aplicaciones conocidas de las baterías de sodio, incluyen:

Automóviles y Transporte

El objetivo de reducción de emisiones de carbono tiene un impacto significativo en la electrificación del transporte. Por lo tanto, una química de la batería rentable es una necesidad en la innovación de vehículos eléctricos (EV). Dado que se espera que las ventas de vehículos eléctricos crezcan en los próximos años, la tecnología de iones de sodio es la opción indiscutible para la movilidad eléctrica.

Aplicaciones a nivel de red

Las redes inteligentes dependen de una energía confiable. La fuente de alimentación intermitente puede impedir el funcionamiento de la red. Las baterías de iones de sodio pueden ayudar a optimizar la energía solar para cumplir con los requisitos de almacenamiento de energía de la red.

Movilidad Industrial

Las baterías de iones de sodio pueden maximizar la utilización de los activos y minimizar los costos operativos con un estado constante de preparación y una potente potencia máxima.

Respaldo de energía

Los sectores de datos y telecomunicaciones dependen en gran medida de la infraestructura y las operaciones alimentadas por baterías para impulsar la economía global. Las baterías de sodio pueden proporcionar energía bajo demanda para garantizar un suministro de energía seguro y sin problemas.

¿Quién fabrica las baterías de iones de sodio?

Varias empresas de todo el mundo fabrican baterías de iones de sodio. Los principales fabricantes de baterías cuentan con equipos especializados para desarrollar aplicaciones de tecnología de iones de sodio.

Las tres principales compañías de baterías de sodio, son:

Faradion

Faradion es la primera empresa de baterías de sodio del mundo en comercializar la tecnología de iones de sodio. La empresa con sede en el Reino Unido se especializa en tecnología de celdas de iones de sodio no acuosas y posee impresionantes patentes relacionadas con baterías de sodio con una cartera de propiedad intelectual integral y de gran alcance.

Desde energía de respaldo y transporte eléctrico de bajo costo hasta almacenamiento residencial e industrial, Fradion ofrece soluciones eficientes y rentables de baterías de sodio conocidas por su energía limpia y barata.

Soda

Natron (Natron Energy) ofrece soluciones de baterías independientes o integradas para mejorar el costo total de propiedad. La compañía ha estado ampliando los límites de la tecnología de batería tradicional con soluciones de batería innovadoras que ofrecen beneficios impresionantes, como: mayor capacidad máxima, seguridad y frecuencia de ciclo largo.

La tecnología de iones de sodio azul de Prusia de Natron está diseñada para un mejor rendimiento con una mejor química de la batería.

CATL

El Instituto de Investigación CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.) con sede en China lanzó su primera batería de sodio en julio de 2021. El gigante de las baterías planea comenzar la producción comercial en 2023.

Además de la batería de iones de sodio, CATL lanzó su solución de paquete de baterías AB: una hermosa integración de celdas de iones de sodio y celdas de iones de litio en un solo paquete.

¿Por qué existe la necesidad de una tecnología de batería alternativa al litio?

Desde una perspectiva ambiental, son varios los factores que impulsan el desarrollo de baterías de sodio como alternativa al litio:

Los suministros de litio son limitados

Un vehículo eléctrico con una batería de litio de 90kWh requiere aproximadamente 6kg de litio equivalente para recorrer 300 kilómetros con una sola carga.

Hay aproximadamente 1.200 millones de vehículos en circulación en todo el mundo; lo que implica que se necesitarían 1.440 millones de kg de Li si el 20% de estos automóviles se convirtieran en vehículos totalmente eléctricos.

Aunque este análisis no cubre todas las demás aplicaciones de las baterías de litio (como la electrónica portátil y el almacenamiento de energía para redes eléctricas), está claro que la búsqueda de baterías alternativas de alta energía fabricadas con materiales baratos y fácilmente disponibles es fundamental.

La minería de litio requiere abundante agua

Además, la fabricación de baterías de litio exige una gran cantidad de agua para la extracción de litio. Hablamos de que se requiere casi dos millones de litros de agua para extraer una tonelada de litio.

Dado que la minería de litio se concentra en unos pocos países, puede significar un impacto importante en estas regiones. Por ejemplo, el triángulo del litio (región sudamericana que incluye partes de Chile, Argentina y Bolivia) contiene más de la mitad del suministro mundial de litio debajo de las salinas. Actualmente, muchas de estas regiones ya son extremadamente secas y en su mayoría son desiertos. La minería ha drenado más de la mitad del suministro de agua en esta región, lo que tiene graves consecuencias para la economía agrícola.

La minería de litio no es un proceso limpio

Los efectos de la minería de litio sobre el medio ambiente y el agua con la que entra en contacto son significativos.

Los productos químicos tóxicos como el ácido clorhídrico pueden filtrarse en el suministro de agua. Incluso en áreas como Australia y América del Norte, donde se utilizan técnicas mineras tradicionales, la eliminación y contención de estos productos químicos son difíciles.

Se requiere una mayor apuesta por reciclar baterías de litio

Una forma de mitigar los efectos adversos de la minería de litio es reciclar las baterías de litio. Sin embargo, no es un proceso eficiente y requiere mucha energía.

Además de eso, el reciclaje de baterías de litio no se investiga lo suficiente como para que sea una solución viable. Por lo tanto, solo se puede reciclar una parte limitada de las baterías de litio. Si bien, este panorama parece estar cambiando y las expectativas son pasar del 3-5% del reciclaje actual de las baterías de litio al 20% en la década de los 20.

La hoja de ruta futura para las baterías de sodio

El futuro de las baterías de iones de sodio parece cada vez más claro. La fuerte apuesta por la investigación y desarrollo de esta tecnología y el aumento de la demanda en sistemas de almacenamiento, augura un futuro prometedor para las baterías de iones de sodio.

I+D de baterías de sodio

Las capacidades actuales de I+D en el espacio de la tecnología de baterías están creciendo rápidamente para adaptarse a la demanda exponencial de almacenamiento de energía. Aliviar la presión sobre las reservas de litio en el mundo es el enfoque principal de los investigadores que buscan opciones viables de baterías que no sean de litio.

La descarbonización, la creciente integración de las energías renovables en las redes eléctricas y la creciente adopción de vehículos eléctricos son algunos de los factores que fomentan el desarrollo de tecnologías de almacenamiento de energía, respetuosas con el medio ambiente y socialmente conscientes.

Los esfuerzos mundiales de I+D están intensificando la industrialización de las baterías de iones de sodio. En particular, es probable que el mercado de vehículos eléctricos obtenga los beneficios de I+D de la tecnología de baterías de sodio para aumentar la eficiencia operativa, reducir los costos y generar más oportunidades de ingresos.

El camino a seguir para las baterías de sodio

¿Qué depara el futuro para las baterías de sodio? Entre las alternativas que no son de litio, la conveniencia de las baterías de sodio se debe principalmente a: la abundancia, el bajo costo y el alto rendimiento. Las capacidades tecnológicas avanzadas y la innovación en baterías son cruciales para la aceptación y adopción de baterías de sodio a escala comercial.

La etapa de desarrollo diversificada y compleja de las baterías de sodio conducirá a la innovación en el panorama de las baterías. Por ejemplo, las baterías híbridas presentan posibilidades prometedoras para combinar lo mejor de las características de sodio y litio para un mejor rendimiento de la batería.

Por tanto, el potencial de las baterías de sodio de bajo costo y alto rendimiento permite atisbar una posición sólida en el mercado de las baterías en un futuro. Se espera que el mercado de baterías de sodio crezca rápidamente en los próximos años con más inversiones y esfuerzos de I+D específicos para facilitar la transición de la producción a escala de planta piloto a la comercialización completa.

En comparación con las baterías de litio, las baterías de sodio son económicamente viables, energéticamente eficientes, seguras y sostenibles. Sin duda, le espera un futuro prometedor a esta tecnología. Pero hasta que este tipo de baterías lleguen a estar disponibles para ti, puede pasar tiempo. Por lo que si estás pensando en instalar autoconsumo con almacenamiento, tu mejor opción siguen siendo las baterías de litio. Puedes ver por qué en nuestro artículo: ¿Es rentable instalar baterías de litio con mi autoconsumo?

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