Baterías de iones de sodio de mayor duración en el horizonte
Un diseño avanzado de batería de iones de sodio supera los obstáculos técnicos
Foto por Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
El experto en baterías Jiguang (Jason) Zhang tiene una batería experimental de iones de sodio que es más estable y confiable que la tecnología actual de baterías de iones de sodio.
Barato y abundante, el sodio es un candidato prometedor para la nueva tecnología de baterías. Pero el rendimiento limitado de las baterías de iones de sodio ha obstaculizado sus aplicaciones a gran escala.
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 extendida en pruebas de laboratorio. Un cambio ingenioso en los ingredientes que componen el núcleo líquido de la batería evita los problemas de rendimiento que han afectado a las baterías a base de sodio. Los hallazgos, descritos en la revista Nature Energy, proporcionan una receta prometedora para una batería que algún día puede 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 duradera y respetuosa con el medio ambiente», dijo el autor principal de PNNL, Jiguang (Jason) Zhang, un pionero de las tecnologías de baterías con más de 23 invenciones patentadas en tecnología de almacenamiento de energía.
La sal adecuada
En las baterías, el electrolito es la «sangre» circulante que mantiene la energía fluyendo. El electrolito se forma disolviendo sales en disolventes, lo que resulta en iones cargados que fluyen entre los electrodos positivos y negativos. Con el tiempo, las reacciones electroquímicas que mantienen el flujo de energía 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 baterías de iones de litio similares.
El equipo de PNNL, dirigido por los científicos Yan Jin y Phung Le, atacó ese problema cambiando la solución líquida y el tipo de sal que fluye a través de ella para crear una receta de electrolitos completamente nueva. En pruebas de laboratorio, el nuevo diseño demostró ser duradero, manteniendo el 90 por ciento de su capacidad celular después de 300 ciclos a 4.2 V, que es más alto que la mayoría de las baterías de iones de sodio reportadas anteriormente.
La receta actual de electrolitos para las baterías de iones de sodio da como resultado que la película protectora en el extremo negativo (el ánodo) se disuelva con el tiempo. Esta película es crítica porque permite que los iones de sodio pasen a través de ella mientras preserva la duración de la batería. La tecnología diseñada por 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 PNNL utiliza una solución de extinción de incendios natural que también es impermeable a los cambios de temperatura y puede funcionar a altos voltajes. Una clave para esta característica es la capa protectora ultradelgada que se forma en el ánodo. Esta capa ultrafina permanece estable una vez formada, proporcionando la larga vida útil del ciclo reportada en el artículo de investigación.
«También medimos la producción de vapor de gas en el cátodo», dijo Phung Le, químico de baterías de PNNL y uno de los autores principales del estudio. «Encontramos una producción de gas muy mínima. Esto proporciona nuevos conocimientos para desarrollar electrolitos estables para baterías de iones de sodio que pueden funcionar a temperaturas elevadas».
Por ahora, la tecnología de iones de sodio todavía está rezagada con respecto al litio en densidad de energía. Pero tiene sus propias ventajas, como la impermeabilidad a los cambios de temperatura, la estabilidad y la larga vida útil, que son valiosas para las aplicaciones de ciertos vehículos eléctricos ligeros e incluso para el almacenamiento de energía de la red en el futuro.
El equipo de investigación continúa refinando 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 costoso si no se recupera o recicla.
Publicación original Jin, Y., Le, P.M.L., Gao, P. et al. Electrolitos de baja solvatación para baterías de iones de sodio de alto voltaje. Nat Energy (2022).