Baterías de sodio: ¿qué debes saber sobre el nuevo rey del almacenamiento «low cost»?

Todas las baterías, incluidas las de sodio, se basan en los mismos principios: un ánodo que almacena un elemento capaz de ceder electrones, un electrolito que lo transporta, y un cátodo ansioso por «hospedarlos» y compartir un electrón con ellos. Este elemento puede ser plomo, o zinc, o litio… o, como acabamos de mencionar y vamos a ver, también sodio.

El sodio, en concreto, es un elemento tentador. Situado debajo del litio en la tabla periódica, comparte con él su electronegatividad (0,93 en la escala de Pauling frente a 0,98 del Litio), su ligereza, su elevado potencial de reducción (lo que significa que puede liberar más energía por átomo durante la reacción electroquímica en una batería), y su (relativamente) baja reactividad.

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El sodio añade, a las similitudes anteriores, el hecho de ser un elemento universalmente disponible (está por todas partes en forma de cloruro sódico o sal común) y relativamente fácil de extraer o purificar.

De esta manera, es lógico que haya existido, desde hace años, un interés por sustituir al litio por sodio como componente principal del ánodo de las baterías, incluso si eso suponía alguna merma en cuanto a prestaciones. Y, lógicamente, ese interés ha dado sus frutos.

Buscando pareja para el sodio

Como hemos mencionado arriba, a la hora de construir una batería necesitamos tres elementos que son el ánodo, el electrolito y el cátodo. Y con el sodio, la historia no es distinta. Afortunadamente, y al contar con el precedente del litio, podemos intuir «por dónde podrían ir los tiros».

John Goodenough  es considerador el principal factotum de las baterías de sodio. Se trata del padre de las baterías de litio (de hecho, recibió el Nobel por inventar las que comenzó a usar Sony a principios de los 90), y localizó los primeros materiales potenciales para el cátodo, y en especial el fosfato de hierro y sodio (NaFePO4), relativamente parecido al cátodo de las actuales baterías de iones de litio basadas en LFP o LiFePO4.

Otros posibles cátodos para una batería de sodio son el NaCoO2 y el Na2FeP2O7, también conocido como prusiato de sodio o blanco prusia. En la actualidad, cualquier solución basada en Co o cobalto está prácticamente descartada como «nueva tecnología» (por las dificultades en la extracción, que se traducen en coste elevado y necesidad de reciclabilidad), y la tecnología más pujante es la de prusiato de sodio. Respecto de la LFP, y en general, el consenso es que el prusiato de sodio es preferible por:

• Estabilidad Térmica y Ciclabilidad: Los prusiatos de sodio suelen ofrecer una excelente estabilidad térmica y buena resistencia a la degradación durante los ciclos de carga y descarga. Esto se traduce en una mayor vida útil de la batería y una mejor retención de la capacidad a lo largo del tiempo.

• Tensión de Funcionamiento: Los prusiatos de sodio pueden operar a voltajes moderadamente altos, lo que es beneficioso para lograr una buena densidad energética. Aunque no alcanzan los voltajes más altos de algunos materiales de cátodo de ion-litio, pueden ofrecer un buen compromiso entre densidad energética y estabilidad.

• Conductividad Iónica: La estructura de los prusiatos de sodio puede facilitar la movilidad de los iones de sodio, lo que es clave para la eficiencia de la batería. Una mayor conductividad iónica significa que la batería puede cargarse y descargarse más rápidamente.

• Costo y Disponibilidad de Materiales: Al igual que con el NaFePO4, los prusiatos de sodio se benefician del uso de materiales baratos y abundantes. Sin embargo, la síntesis y procesamiento de prusiatos puede ofrecer ventajas adicionales en términos de costos de producción y escalabilidad.

• Compatibilidad Ambiental: Los prusiatos de sodio son generalmente considerados seguros y ambientalmente benignos, lo que es importante tanto desde la perspectiva de la sostenibilidad como de la regulación.

• Densidad Energética: Aunque los prusiatos de sodio no siempre superan a otros materiales en términos de densidad energética, su combinación de estabilidad, coste y rendimiento puede hacerlos más adecuados para ciertas aplicaciones donde la densidad energética máxima no es el único factor crítico.

Baterías de sodio: una realidad muy tangible

De todas las químicas y tecnologías que han emergido últimamente en materia de química de baterías, la opción del sodio es la más prometedora. Esta química de batería tiene la doble ventaja de depender de materiales más económicos que las de ion-litio, lo que conduce a baterías más baratas, y de evitar completamente la necesidad de minerales críticos.

Actualmente es la única química viable que no contiene litio. Se estima que la batería de ion-sodio desarrollada por CATL en China cuesta un 30% menos que una batería LFP. Por el contrario, las baterías de ion-sodio no tienen la misma densidad energética que sus homólogas de ion-litio (respectivamente de 75 a 160 Wh/kg en comparación con 120 a 260 Wh/kg).

Esto podría hacer que las de ion-sodio sean relevantes para vehículos urbanos con menor autonomía, o para almacenamiento estacionario, pero podría ser más complicado introducirlas en mercados como el europeo, donde los consumidores priorizan la máxima autonomía.

En 2022 existían casi 30 plantas de fabricación de baterías de ion-sodio en funcionamiento, planificadas o en construcción, con una capacidad combinada de más de 100 GWh, casi todas en China. Para comparar, la capacidad de fabricación actual de las baterías de ion-litio es de alrededor de 1.500 GWh.

Algunos ejemplos tangibles de baterías de sodio

En Europa, y poco antes de que terminara 2023, la sueca Northvolt anunció que comenzaba la fabricación en serie de baterías de Ion-Sodio. Según Northvolt, sus celdas «son más seguras, rentables y sostenibles que las químicas convencionales de níquel, manganeso y cobalto (NMC) o fosfato de hierro (LFP), y se producen con minerales como el hierro y el sodio, que son abundantes en los mercados globales. Están basada en un ánodo de carbono duro y un cátodo basado en Blanco de Prusia, y están libre de litio, níquel, cobalto y grafito».

La propia Northvolt reconoce que su bajo coste las hace ideales para aplicaciones de almacenamiento de energía y vehículos en lugares como la India, Oriente Medio o África.

En China también se han lanzado los primeros coches eléctricos propulsados por baterías de sodio. Por ejemplo, el Yiwei EV, fabricado por la compañía madre china JAC, cuenta con una batería de iones de sodio de 23,2 kWh de capacidad, que proporciona 230 km de autonomía (medidos según el bondadoso ciclo chino). Las primeras entregas de este vehículo comenzaron el pasado 5 de enero.

La batería de sodio del Yiwei EV emplea celdas cilíndricas fabricadas por Hina Battery, en un formato 32140 (32 milímetros de diámetro) y con una densidad de energía de 145 Wh/kg. Actualmente Hina también ofrece estas celdas en formato prismático (en medida 73x174x207), con una densidad de energía de 155 Wh/kg. La tensión nominal es, en todos los casos, de 3,1 voltios.

Segun Yiwei y Hina, el Yiwei EV puede cargarse del 10% al 80% en sólo 20 minutos, y su batería deberíBaterías de estado sólido: la última frontera del coche eléctricoa de soportar sin problemas unos 3.000 ciclos (entre 2.000 y 6.0000, según el fabricante chino Hina), lo que le pone a la altura de los mejores en estos dos parámetros.

La opinión de Autofácil…

La llegada de esta tecnología estaba prevista, y no debería de sorprender a nadie. Las baterías de sodio son más baratas que las de litio, aunque ofrecen peores prestaciones. Por sus cifras de densidad energética, y dado que la cantidad de litio en una batería de coche no es enorme (en el entorno de los 20 kilogramos), es muy probable que su uso quede restringido a aquellos vehículos en los que la autonomía, el peso o ambos no sean un problema… y se busque una solución muy asequible.

En movilidad, los principales clientes de estas baterías podrían ser flotas de vehículos, vehículos industriales y vehículos urbanos de bajo coste… lo cual no es precisamente poco.

No obstante, también van a resultar muy interesantes las aplicaciones de almacenamiento estacionario, ya sea a gran escala (estabilización de la red, almacenamiento de excedentes renovables) o a pequeña escala (como almacenamiento para instalaciones solares a escala doméstica o industrial). Este último sector está pidiendo a gritos soluciones de almacenamiento en línea con la los precios cada vez más bajos de los paneles y más rápidamente almacenables.

En definitiva, estas primeras noticias sobre baterías de sodio nos enseñan que, en el futuro, contaremos con una amplia gama de tecnologías de almacenamiento, y que serán el coste y las prestaciones del vehículo los que determinen cuáles son las mas adecuadas para cada aplicación.