Un equipo de investigadores de la Universidad de Tokio ha logrado aumentar la densidad de energía de las baterías de sodio. Se trata de un método energéticamente eficiente para producir un nuevo material a base de carbono con una capacidad muy elevada de almacenar sodio. El procedimiento se basa en aprovechar la nanoestructura, sumamente porosa de este carbón vegetal para utilizarlo como electrodo negativo de las baterías (ánodo).

El sodio contra el litio

Las baterías de iones de litio se utilizan hoy en día en la práctica totalidad de las aplicaciones móviles, como teléfonos, ordenadores portátiles o vehículos eléctricos. Su ventaja está en la densidad de energía que ofrecen, que se traduce en más autonomía, por encima de la longevidad o la estabilidad de sus componentes. Su mayor inconveniente es que los materiales de los que se componen, como el cobalto y el litio, son escasos y caros. A medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos y de las instalaciones estacionarias de almacenamiento de electricidad, estos materiales se harán más difíciles de obtener y posiblemente elevarán su precio.

El sodio es un material que se obtiene de los océanos o de la corteza terrestre y por lo tanto es barato, abundante y sostenible, lo que lo convierte en un gran candidato para el almacenamiento de energía a gran escala. James Quinn, director ejecutivo de Faradion Ltd, una empresa británica desarrolladora de baterías de iones de sodio, le dijo a Bloomberg el pasado mes de septiembre que “el sodio es el sexto elemento más abundante en la tierra: es ilimitado y sostenible ya que se cosecha, no se extrae”.

Esquema de funcionamiento de una batería de sodio.

Desafortunadamente, estas baterías no tienen tanta energía como las baterías de litio y también dan problemas de degradación a la hora de cargarse y descargarse. El inconveniente clave para algunos de los materiales catódicos más prometedores es que una capa de cristales de sodio inactivos se acumula en la superficie del cátodo, deteniendo el flujo de iones de sodio y, en consecuencia, destruyendo la batería.

Un nuevo material eleva la densidad de energía de las baterías de sodio

El estudio de la Universidad de Tokio publicado por el Angewandte Chemie International Edition detalla un método energéticamente eficiente para producir un nuevo material a base de carbono que eleva la capacidad de almacenamiento de las baterías de sodio. Se basa en la síntesis del carbono duro (carbón vegetal), que es una forma sólida de carbono que no se puede convertir en grafito mediante tratamiento térmico.

El objetivo era lograr un material para el electrodo negativo de la batería diferente al grafito que se emplea actualmente en las baterías de litio ya que este no funciona con las baterías de sodio. Mediante el uso del óxido de magnesio (MgO) es posible ajustar la nanoestrucura de este material, altamente poroso. Tras múltiples análisis experimentales y teóricos se establecieron las condiciones óptimas de fabricación y los ingredientes necesarios para su producción, de manera que es posible alcanzar una capacidad de 478 mAh/g, la más alta de las que se han reportado para el grafito , que es de 372 mAh/g.

Una batería de iones de sodio con este electrodo negativo funcionaría teóricamente con una diferencia de potencial 0,3 voltios inferior a la de una batería de iones de litio estándar. La mayor capacidad de la primera conduciría a una densidad de energía mucho mayor por cada kilogramo de peso, 1.600 Wh/kg frente a 1.430 Wh/kg, es decir, aumento del 19% en la densidad de energía.

El estudio continuará analizando otros parámetros fundamentales de estas baterías de iones de sodio, como son la potencia de entrada y salida, la vida útil o la capacidad de operación a baja temperatura.