Los prototipos avanzados de baterías de iones de sodio se acercan ya a los 200 Wh/kg

Un equipo internacional de científicos ha realizado una revisión bibliográfica de los avances recientes y las perspectivas futuras de los principales componentes de las baterías de iones de sodio (SIB).

Las SIB almacenan y liberan energía mediante el desplazamiento de iones de sodio entre el cátodo y el ánodo a través de un electrolito durante los procesos de carga y descarga. Se consideran una alternativa atractiva a las baterías de iones de litio (LIB), debido a que el sodio es abundante y está distribuido de forma más uniforme desde el punto de vista geográfico.

«La creciente necesidad de soluciones de almacenamiento de energía asequibles y sostenibles en sectores de uso final clave, como la automoción, la industria y el almacenamiento energético, está contribuyendo a la sólida expansión del mercado mundial de baterías de iones de sodio», explicó a pv magazine el autor principal de correspondencia, Ababay Ketema Worku.

«Las SIB todavía se encuentran en una fase inicial de desarrollo, aunque los dispositivos comerciales de primera generación de empresas como Contemporary Amperex Technology, Faradion y TIAMAT ya han llegado al mercado del almacenamiento energético, dirigidos a aplicaciones de movilidad ligera y estacionarias», añadió. «A pesar de sus ventajas potenciales en términos de rendimiento a largo plazo y beneficios económicos y medioambientales, la penetración de las baterías de iones de sodio sigue siendo baja a escala mundial, aunque se espera que el mercado crezca significativamente durante los próximos diez años».

Entre los factores que limitan una mayor adopción de las SIB, Worku señaló su menor densidad energética y una vida útil más corta en términos de ciclos en comparación con las LIB. Estas limitaciones están relacionadas en gran medida con el mayor radio iónico del sodio, que genera mayores tensiones mecánicas en los materiales de los electrodos y puede acelerar su degradación.

Otros desafíos incluyen unas mayores tasas de autodescarga, cadenas de suministro todavía poco desarrolladas para materiales de calidad para baterías y determinadas ineficiencias en los procesos de fabricación, como la formulación de las suspensiones, el secado de los electrodos y el ensamblaje de las celdas.

«Aunque las SIB presentan una mayor estabilidad térmica y son compatibles con las infraestructuras existentes para baterías de iones de litio, son necesarios sistemas avanzados de gestión y métodos de modelización predictiva, como la dinámica de fluidos computacional, la calorimetría diferencial de barrido y el análisis termogravimétrico, para garantizar la seguridad a nivel de pack», explicó Worku.

La revisión analiza cinco grandes categorías de ánodos para SIB: materiales basados en aleaciones, materiales de intercalación, materiales de conversión, materiales orgánicos y materiales basados en MXene. Los investigadores concluyeron que los ánodos basados en carbono, aleaciones y materiales orgánicos ofrecen una elevada estabilidad durante los ciclos y una buena capacidad de almacenamiento de sodio, mientras que los materiales de conversión presentan elevadas capacidades teóricas.

Sin embargo, la adopción generalizada de estos materiales sigue limitada por problemas como los grandes cambios de volumen durante los ciclos de carga y descarga, la baja conductividad eléctrica, la inestabilidad de las interfaces y la degradación estructural. Estas dificultades están impulsando la investigación de nuevos diseños de materiales y estructuras nanoestructuradas.

Los investigadores concluyen que los avances futuros dependerán del desarrollo de materiales de cátodo y ánodo más estables, electrolitos más seguros y conductores, y separadores con una mayor estabilidad térmica y química. También subrayan que será necesario avanzar en todos los componentes de la batería —incluidos electrodos, electrolitos, aglutinantes, colectores de corriente, aditivos conductores y disolventes— para acelerar la comercialización y mejorar la competitividad de las SIB frente a las LIB.

«Actualmente, las densidades energéticas de las SIB oscilan entre 100 Wh/kg y 160 Wh/kg, y algunos prototipos avanzados se acercan a los 200 Wh/kg», señaló Worku. «Las mejoras en las formulaciones de los electrolitos, que aumentan la conductividad iónica y la estabilidad electroquímica, así como los avances en los materiales de los electrodos, son los principales responsables de estos progresos».

Worku explicó que el almacenamiento energético es solo una de las áreas en las que las SIB están encontrando nuevas aplicaciones.

«Son ideales para aplicaciones de gestión de carga, vehículos eléctricos (VE), integración de energías renovables y almacenamiento energético a gran escala, gracias a su bajo coste y al uso de materias primas fácilmente disponibles», afirmó. «Las baterías de iones de sodio ofrecen una alternativa escalable y asequible para almacenar y suministrar energía renovable, y los proyectos piloto han demostrado su potencial para contribuir a la estabilidad de la red. Las baterías de iones de sodio están ganando popularidad en la industria automovilística como sustituto más económico de las baterías de iones de litio, especialmente en vehículos eléctricos de dos y tres ruedas».

La revisión, titulada «Recent advances and future perspectives on key components for sodium-ion batteries», ha sido publicada en Energy Conversion and Management: X. El estudio ha sido realizado por científicos de la University of South Africa, la Bahir Dar University de Etiopía y la Shanghai University de China.