La batería de sodio es mucho más fácil de obtener y muchísimo más barata. Las baterías son el factor clave para que los automóviles eléctricos superen a los vehículos a combustión. Si se puede fabricar una batería asequible, ligera y con capacidad de cargarse en solo 10 minutos, se podría superar la barrera que hace que los usuarios elijan el automóvil de combustión frente al eléctrico.
No obstante, no basta con esto, también se requiere que la fabricación de baterías sea asequible y no genere más daños al medioambiente. La batería 4680 de Tesla se carga en un lapso de 30 minutos, posee una elevada densidad energética y está bien segura, pero tiene una desventaja: está fabricada con iones de litio. ¿Qué pasaría si pudiéramos hacer una batería con un elemento mucho más común que el litio? CATL, uno de los proveedores de Tesla, está haciendo mejores baterías que las 4680, haciéndolas con iones de sodio. Aunque el sodio tiene sus inconvenientes, se espera que un nuevo elemento de color azul permita un futuro viable para baterías de sodio. Aquí te contamos más sobre esta tecnología.
El litio se acabará pronto
Un gran desafío para el mundo es el uso y la contaminación de las baterías de litio, un recurso no inagotable que se está agotando rápidamente. Según el Foro Económico Mundial, para 2050 se necesitarán 2.000 millones de automóviles eléctricos para eliminar la emisión de dióxido de carbono. Para lograr esto, existen metales alcalinos como el litio, el sodio y el potasio que son altamente reactivos y adecuados para el desarrollo de baterías, pero el litio es la estrella absoluta, aunque está limitado a cuatro países: Argentina, Chile, Australia y China. Esta última puede controlar su suministro, preparándose para el futuro cuando el litio se agote en el resto del mundo. Para entonces, se tendrá que reciclar y reutilizar el litio.
Los vehículos eléctricos contienen unos 10 kilogramos de litio en sus baterías. Si la venta de estos autos sigue aumentando, se estima que habrá hasta 3.000 millones de kilogramos de litio circulando en las carreteras, lo cual agotaría la existencia de 26 millones de toneladas que hay actualmente. La Agencia Internacional de la Energía advirtió que se presentará una escasez de litio para el año 2025, según Credit Suisse, una firma de servicios financieros. Esta escasez se debe a que la demanda de este elemento se triplicará entre 2020 y 2025. Sin embargo, el reciclaje de estas baterías solo representa un 1%, debido a la falta de investigaciones sobre procesos de reciclaje y a que las tecnologías de baterías son muy cambiantes, lo que dificulta concretar un método eficiente y seguro. Además, el litio genera problemas no solo por su producción y su impacto económico, sino también por su alto nivel de contaminación. Debido a los altos niveles de energía de carbono necesarios para su extracción, el litio no es un producto totalmente amigable con el medio ambiente.
Las baterías de iones de litio usan elementos raros como el cobalto, que es extraído principalmente en la República Democrática del Congo, un lugar con graves problemas de derechos humanos y medioambientales debido a esta industria. Estas baterías tienen otros efectos no tan conocidos. Se pueden sobrecalentar y explotar si son cargadas demasiado rápido, y el uso de productos químicos inflamables y tóxicos empeora el problema. Estos productos no funcionan bien cuando la temperatura está por debajo de 0°C o por encima de 50°C, lo que limita su rendimiento. También tienen una vida útil corta, pues una vez habiendo pasado mil ciclos de carga y descarga, dejan de ser útiles. Además, debido a que los productos químicos son líquidos, necesitan una carcasa rígida y cara para evitar fugas, lo que hace que sea difícil transportar estas baterías; se necesitan precauciones adicionales para prevenir explosiones y una autorización para enviarlas. Si el ritmo de consumo sigue igual, el litio empezará a escasearte y los precios se duplicarán para abrir los depósitos de litio no rentables. El cobalto, tan importante para estas baterías, ya está escaseando y su extracción causa problemas graves, como la explotación humana y la contaminación de los ríos y suelos.
El sodio podría ser la gran alternativa del litio
¿Hay otro metal alcalino que ofrezca mejores resultados para crear baterías? La respuesta es sí: el sodio. Este elemento es muy abundante en muchas partes del mundo, siendo su cantidad en la corteza terrestre mil veces mayor que la del litio en forma de cloruro de sodio o sal. El sodio se extrae principalmente de la ceniza de sosa, por lo que es mucho más fácil de conseguir que el litio. La empresa china CATL, el mayor fabricante de baterías del mundo, acaba de presentar una batería de iones de sodio con una densidad energética y longevidad superiores a cualquier batería de litio. Esto podría cambiar el futuro de las baterías, aunque sólo llegó a principios de 2021. Entonces, ¿por qué no se optó por el sodio desde el principio? Esto se debe a la capacidad energética de las baterías de litio y de sodio en relación a su peso. Para comprenderlo, hablemos sobre el funcionamiento de las baterías.
Miremos una batería de litio y otra de sodio. Estas contienen dos electrodos y dos colectores de carga, un negativo y un positivo, situados a ambos lados de la batería. Además, hay un líquido electrolítico con una membrana para bloquear el paso de electrones dentro de la batería. Al cargar los átomos de litio o sodio se liberan electrones que recorren el circuito eléctrico desde el cátodo al ánodo, ubicado en el extremo opuesto. Los electrones se almacenan en el ánodo y al conectar la batería a un aparato, salen y generan corriente eléctrica para alimentar el dispositivo. Mientras tanto, los iones de litio o sodio vuelven a su lugar original pasando por el electrolito.
Densidad y peso de las baterías de sodio
Como comentamos previamente, la principal desventaja de usar sodio en lugar de litio es la menor densidad energética y el mayor peso de las baterías de sodio. Estas generan 150 W·h por kilogramo de sodio, en comparación con 200 W·h por kilogramo de litio de una batería de iones de litio. Esta diferencia afecta a la economía global, al aumentar el coste, aunque este no es el único problema. Los iones de sodio son hasta tres veces más pesados, a pesar de que el componente de sodio solo supone el 5% del peso total de la batería. Estas realizadas con litio son más ligeras. Además, las baterías de sodio son más grandes físicamente que las de litio. Los iones de sodio no se mueven libremente entre las capas de un ánodo de grafito como los iones de litio, lo que se traduce en una mayor inserción y extracción de iones de sodio dentro y fuera de los electrodos.
¿Cómo CATL promete revolucionar el mercado energético con sus baterías de sodio?
CATL, el gigante chino, está llevando el almacenamiento energético a un nuevo nivel. Esta empresa tiene un equipo de investigación y desarrollo de 5.000 personas para desarrollar nuevas tecnologías, que se evalúan mediante computadoras. Estas nuevas tecnologías ya se están utilizando para producir baterías de fosfato de hierro y litio para los automóviles de Tesla. Estas baterías tienen menor densidad de energía que las de iones de litio, pero no contienen cobalto. CATL ya ha lanzado su primera generación de tecnología de baterías de iones de sodio, con una densidad energética de 160 vatios por kilogramo y un tiempo de carga del 80% en sólo 15 minutos. Esta nueva tecnología se basa en materiales diferentes para fabricar los electrodos.
El elemento clave de las futuras baterías de sodio es el blanco de Prusia. Esto se debe al hecho de que el material del cátodo es un elemento conocido como azul de Prusia, el cual ha sido sodiado para obtener un material con una alta resistencia a las fuerzas mecánicas, además de una baja toxicidad. El azul de Prusia también se conoce como el pigmento utilizado en los uniformes militares de Prusia. Esta nueva versión posee un alto potencial de trabajo, una alta capacidad teórica y una baja toxicidad. Esto ha permitido al fabricante ofrecer una innovadora estructura para el flujo de electrones a lo largo de la batería, la cual garantiza una mejor eficiencia de ciclo de vida. El blanco de Prusia es un material que es fácil y rentable de producir, con un 95% de su capacidad energética conservada luego de 10.000 ciclos de carga y descarga, y hasta el 90% de su capacidad a temperaturas menores de 20 grados centígrados.
El carbono duro de las nuevas baterías de CATL
CATL, desarrolló un nuevo material para el ánodo de las baterías de iones de litio, generalmente hechas con grafito. Esta nueva estructura de carbono poroso optimizada mejora la capacidad de almacenamiento de energía y permite que los iones de sodio se muevan rápidamente. Este diseño también permite una mayor cantidad de ciclos de carga y descarga y es más barato y liviano, ya que la lámina de aluminio, en lugar de cobre, se utiliza como colector de corriente en el lado del ánodo. Las baterías de iones de sodio son muy similares a las de litio, pero los iones de sodio son más grandes, con mejores propiedades estructurales y cinéticas. Además, se necesita una solución electrolítica menos concentrada para su uso.
Cattle afirma que puede fabricar estas nuevas baterías de sodio con la misma maquinaria y proceso de las baterías de iones de litio, lo que significa que no se necesitan instalaciones costosas. Además, estas baterías son más seguras y tienen un ciclo de vida de 3.000 cargas, lo que equivale a un ahorro de 77 dólares por kilovatio hora. En comparación, las baterías de 4680 de Tesla tienen una mayor densidad energética pero un ciclo de vida más corto, resistiendo solo 1.500 cargas, con un costo de 91 dólares por kilovatio hora. Por otro lado, las baterías de sodio de CATL se cargan en 15 minutos al 80%, mientras que las baterías de Tesla se cargan en 30 minutos al 80%. Aunque los ingenieros de CATL prometen superar los 200 vatios por kilogramo de las baterías de iones de litio, las baterías de sodio de CATL tienen un costo aún más bajo.
En enero de 2020, CATL solicitó una patente para la producción de una nueva batería de iones de sodio de segunda generación, con una densidad energética superior a los 200 vatios hora por kilogramo. Esta tecnología supera a la de fosfato de hierro y litio, llegando a los niveles de rendimiento de una batería de ion de litio estándar. Estas baterías son mucho más baratas que las de litio debido a la facilidad de obtención y refinación de los materiales necesarios. Además, son más seguras, tienen una mayor durabilidad, se cargan más rápido y producen un impacto medioambiental mínimo. A pesar de que la densidad energética de las baterías de iones de sodio es mucho menor que la de las de litio, CATL ha desarrollado una tecnología que permitirá aumentar esta densidad a más de 220 kWh por kilogramo en 2023. Esto permitirá a empresas como Tesla y a instalaciones eléctricas de todo el mundo tener acceso a un almacenamiento de energía de bajo costo, abriendo la puerta a una renovación energética a corto o mediano plazo.
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