La innovación en los cátodos hace de la batería de iones de sodio una opción atractiva para los vehículos eléctricos
Un nuevo diseño de cátodo podría allanar el camino a vehículos eléctricos ecológicos y económicos
El nuevo material catódico para baterías de iones de sodio se inspira en trabajos anteriores de Argonne que dieron lugar a las baterías de iones de litio del Chevy Volt y el Bolt. Podría contribuir al suministro de elementos abundantes y de bajo coste para las baterías de los vehículos eléctricos.
Christopher Johnson, Miembro Distinguido de Argonne, en el laboratorio trabajando en baterías avanzadas para vehículos eléctricos y otras aplicaciones.
Image by Argonne National Laboratory
Como sabe la mayoría de los compradores que buscan un vehículo nuevo, los vehículos eléctricos suelen tener un precio relativamente elevado. Uno de los principales responsables de este gasto son las baterías de iones de litio que alimentan el vehículo. Reducir significativamente ese coste nos acercaría a soluciones de transporte respetuosas con el medio ambiente y el bolsillo.
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) han inventado y patentado un nuevo material catódico que sustituye los iones de litio por sodio y resultaría significativamente más barato. El cátodo es una de las partes principales de cualquier batería. Es el lugar de la reacción química que crea el flujo de electricidad que propulsa un vehículo.
"Nuestro programa de baterías en Argonne lleva más de una década estudiando las baterías de iones de sodio", explica Christopher Johnson, químico jefe y miembro distinguido de Argonne. "Y nuestro diseño para la estructura del cátodo convierte a las baterías de iones de sodio en una alternativa atractiva para vehículos eléctricos económicos y más sostenibles".
El innovador avance del equipo de investigación de Johnson, financiado en parte por la Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables del DOE, se deriva de su investigación previa con otros dos becarios distinguidos de Argonne - Michael Thackeray (jubilado) y Khalil Amine - sobre un nuevo material de cátodo para baterías de iones de litio. Ese cátodo forma parte ahora de las baterías que alimentan el Chevy Volt y el Bolt, así como otros vehículos eléctricos.
El material del cátodo anterior es un óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) con una estructura en la que los átomos están dispuestos en capas. Esta estructura permite insertar y extraer fácilmente iones de litio entre las capas. Así, estos iones pueden moverse libremente del cátodo al ánodo y viceversa para cargar y descargar la batería.
Aprovechando los resultados de la investigación anterior, el equipo de Johnson inventó un cátodo de óxido estratificado adaptado a las baterías de iones de sodio. Esta variación del cátodo NMC es un óxido de sodio, níquel, manganeso y hierro (NMF) con una estructura en capas para una inserción y extracción eficientes del sodio. La ausencia de cobalto en la fórmula del cátodo mitiga los problemas de coste, escasez y toxicidad asociados a este elemento.
El interés del equipo por las baterías de iones de sodio se debe a sus numerosas ventajas. Dos de ellas son la sostenibilidad y el coste. El sodio es mucho más abundante y fácil de extraer que el litio. Por tanto, cuesta una fracción del kilogramo y es mucho menos susceptible a las fluctuaciones de precios o a las interrupciones en la cadena de suministro. "Nuestros cálculos sugieren que una batería de iones de sodio costaría un tercio menos que una de iones de litio", afirma Johnson.
Además del sodio, el material del cátodo contiene predominantemente hierro y manganeso. Ambos elementos abundan en todo el mundo y no están en la lista de especies amenazadas.
Otra ventaja es que las baterías de iones de sodio pueden conservar su capacidad de carga a temperaturas bajo cero. Esto resuelve uno de los notables inconvenientes de las actuales baterías de iones de litio. Otro punto a favor de las baterías de iones de sodio es que ya existe la tecnología necesaria para su gestión y fabricación. Esto se debe a que su diseño se asemeja mucho al de las baterías de iones de litio.
Esta batería milagrosa tiene un inconveniente", señala Johnson. "El sodio metálico es unas tres veces más pesado que el litio, y eso aumenta considerablemente el peso de la batería". Y el peso adicional se traduce en una menor autonomía.
Hasta la fecha, este inconveniente ha impedido que las baterías de iones de sodio se introduzcan en el mercado de los vehículos eléctricos. Sin embargo, en comparación con otras tecnologías de iones de sodio, el cátodo del equipo tiene una densidad de energía mucho mayor, suficiente para alimentar vehículos eléctricos con una autonomía de unos 180-200 kilómetros con una sola carga.
Johnson subraya que, si bien la batería de iones de sodio puede no resultar atractiva para quienes buscan largas distancias de conducción, sí podría interesar a los consumidores con un presupuesto ajustado, sobre todo a los habitantes de zonas urbanas que rara vez conducen más de esa distancia.
Otro defecto de las anteriores baterías de iones de sodio es su corta vida útil. Pero con el material catódico del equipo, las celdas de la batería pueden cargarse y descargarse el mismo número de ciclos que sus homólogas de iones de litio.
"Ahora hemos superado la fase de laboratorio y estamos preparados para someter nuestro cátodo a pruebas en celdas de batería similares a las de una batería de vehículo eléctrico real", afirma Johnson. Estas pruebas se llevarán a cabo en la Instalación de Análisis Celular, Modelado y Prototipado de Argonne.
"A partir de ahí, esperamos que el cátodo NMF siga la trayectoria de nuestro cátodo NMC y sea elegido para su fabricación", dijo Johnson. Su equipo también trabaja en el desarrollo de materiales distintos para los otros dos componentes principales de una batería, el electrolito y el ánodo, con el fin de aumentar aún más la densidad energética.
Las baterías de iones de sodio tienen otra posible aplicación además del transporte. En concreto, son idóneas para almacenar energía renovable en una red eléctrica, donde el peso de la batería no es un problema y el funcionamiento a baja temperatura es una ventaja. Las baterías para redes eléctricas son un mercado en rápido crecimiento.
Este salto tecnológico pone de relieve la dedicación de Argonne a las soluciones energéticas sostenibles. Las baterías de iones de sodio podrían aliviar las preocupaciones sobre el suministro disponible de elementos de bajo coste para las futuras baterías de vehículos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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