Los iones de sodio están atrayendo la atención en todo el mundo, como alternativa a los iones de litio, en baterías recargables. Los iones de sodio son excelentes portadores de carga, como puede ver en este sencillo experimento con batería de agua y cloruro de sodio.
Los líderes mundiales en la industria de las baterías están haciendo grandes apuestas en las baterías de iones de sodio como la futura columna vertebral de la energía industrial verde. Si buscas el mundo Los 10 principales fabricantes de baterías de iones de sodio, notarás que también incluyen a los mayores fabricantes de baterías de iones de litio.
Dado que las químicas de las baterías de iones de sodio y de iones de litio son similares, los fabricantes están aprovechando los conocimientos y equipos de producción probados sobre iones de litio para el rápido desarrollo de baterías de iones de sodio. Un buen ejemplo es Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) de China, que es una de las Las 10 mejores baterías de iones de litio fabricantes en China. CATL ha lanzado su Batería de iones de sodio de primera generación con una densidad energética de 160 Wh/kg.
Dado que las baterías de iones de sodio son más voluminosas que las baterías de iones de litio equivalentes, actualmente no son ideales para vehículos eléctricos. Por lo tanto, los fabricantes están apuntando al mercado del almacenamiento de energía, donde el tamaño no es importante pero el costo, el rendimiento y las cadenas de suministro seguras son consideraciones clave. Los científicos creen que Las baterías de iones de sodio son la respuesta al desafío del almacenamiento de energía renovable.
En el futuro, se puede esperar que las baterías de iones de sodio sean más ligeras y potentes. Esto significa que estas baterías resultarán atractivas para el mercado de vehículos eléctricos. Sin embargo, habrás notado que últimamente el mercado de vehículos eléctricos no ha sido sólido. A nivel mundial, el mercado de vehículos eléctricos se ha tambaleado debido a su alto costo, la falta de infraestructura de recarga y, en muchos casos, la retirada de incentivos fiscales. Más, Las baterías de iones de litio pueden ser desplazadas por las pilas de combustible de hidrógeno en el sector del transporte. Dado que los iones de litio están restringidos a equipos electrónicos más pequeños, la tecnología de iones de sodio puede avanzar a largo plazo.
¿Qué es la batería de iones de sodio?
Una batería de iones de sodio es una batería recargable que utiliza iones de sodio para transportar carga eléctrica dentro de la batería. Los iones de sodio se desplazan entre el ánodo y el cátodo, transportando la corriente interna de la celda, durante cada ciclo de carga y descarga.
¿Cómo funciona una batería de iones de sodio?
Usted puede ver el Principio subyacente a una batería de iones de sodio. en la Figura 1. Las partes clave de la batería son:
- Un ánodo, que es un poroso. electrodo y contiene muchos átomos de sodio ionizables en su superficie;
- Un Cátodo, que es también un electrodo poroso, con superficie suficiente para recibir los iones de Sodio provenientes del Ánodo;
- Un separador poroso que evita el contacto físico entre el ánodo y el cátodo, pero permite que los iones de sodio se trasladen entre el ánodo y el cátodo;
- Un electrolito líquido que contiene sales de sodio disueltas. El electrólito Actúa como depósito de iones de sodio que inician una corriente interna una vez que se crea una diferencia de voltaje entre los electrodos.
En la Figura 1, las bolas amarillas representan iones de sodio cargados positivamente, mientras que las bolas rojas representan átomos de sodio neutros. Cada átomo de sodio neutro se convierte en un ion cargado positivamente cuando se extrae un electrón de su capa electrónica más externa.
Entonces, una vez que se aplica un voltaje externo a través de un cargador o una batería más grande, los electrones se extraen de los átomos de sodio unidos al ánodo. Estos electrones fluyen hacia el circuito externo y llegan al cátodo. El Cátodo adquiere potencial negativo debido a la acumulación de electrones.
Al mismo tiempo, los átomos de sodio en el ánodo, habiendo perdido un electrón cada uno, se convierten en iones positivos y abandonan el ánodo. Debido a la diferencia de potencial, viajan a través del electrolito, hacia el Cátodo. En el cátodo, los iones de sodio positivos son neutralizados por los electrones que llegan hasta allí desde el circuito externo. Los átomos de sodio neutros resultantes se estacionan en el cátodo durante la parte restante del ciclo de carga.
Cuando se conecta una carga externa y la batería se descarga, comienza el viaje inverso para los iones de Sodio estacionados en el Cátodo. Los iones de sodio regresan al ánodo a través del electrolito, mientras que los electrones del cátodo viajan a través de la carga externa al ánodo. Una vez en el ánodo, los iones de sodio son neutralizados por los electrones que provienen del circuito externo. Los átomos neutros de sodio se estacionan en el ánodo durante el resto del ciclo de descarga. Por lo tanto, toda la vida útil de los iones de sodio en este tipo de batería recargable se pasa yendo entre el ánodo y el cátodo.
La densidad máxima de tráfico de iones de sodio depende de las propiedades del electrolito, así como de la construcción del ánodo y del cátodo. Estos son parámetros importantes en el diseño de baterías, que determinan la densidad de energía y la corriente.
Aplicaciones
Los expertos creen que las aplicaciones ideales para las baterías de iones de sodio están en Aplicaciones estacionarias de almacenamiento de energía en los sectores industrial y de energías renovables.. NAIMA Un proyecto en la Unión Europea se centra en el desarrollo de dos configuraciones de celdas de iones de sodio seguras y respetuosas con el medio ambiente para el sector del almacenamiento de energía.
Mientras tanto, el primer despliegue comercial del mundo de baterías de iones de sodio en el sector automotriz se logró en China. A empresa conjunta entre JAC de China y Volkswagen de Alemania lanzó un vehículo de pasajeros de cinco plazas propulsado por una batería de iones de sodio de 25 kwh, con una autonomía de 250 km.
Las baterías de iones de sodio también se están considerando para dispositivos electrónicos personales., como ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Aunque son más pesadas que las baterías de iones de litio, son más baratas y seguras, dos consideraciones importantes para el consumidor.
Otra aplicación de las baterías de iones de sodio es en sistemas de energía de respaldo, como en UPS de Natron Energy .
Cómo la batería de iones de sodio cambia el juego:
Las baterías de iones de sodio aportarán muchos beneficios a los mercados de baterías recargables. Éstas incluyen:
Mayor seguridad
En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio son menos propensas a incendiarse. Las generaciones futuras de iones de sodio podrán utilizar electrolitos de estado sólido que estarán absolutamente libres de este peligro. Por ejemplo, Investigadores australianos han desarrollado un electrolito de polímero sólido no inflamable, para uso con baterías de iones de sodio. También se están investigando otras estrategias para mitigar los riesgos térmicos de las baterías de iones de sodio, entre ellas Selección de materiales para mejorar la seguridad..
Costo más bajo
El coste de las baterías de iones de sodio por kwh. es menos de un tercio que el de las baterías de iones de litio. Por el costo de la materia prima.
Menor riesgo en la cadena de suministro
A diferencia del litio, que se extrae y refina sólo en unos pocos países, el sodio está fácilmente disponible en todo el mundo. Esto reduce significativamente los riesgos de la cadena de suministro de materias primas.
Batería de iones de sodio versus batería de iones de litio
Como consumidor o inversor, si tuviera que elegir entre los dos, ¿qué camino elegiría? Como consumidor, consideraría los beneficios inmediatos y las características de rendimiento, mientras que, como inversor, consideraría cuestiones más amplias y a largo plazo.
Comparemos los dos tipos de baterías según algunos parámetros clave, relevantes tanto para los consumidores como para los inversores.
| Parámetro | Batería de iones de litio | Batería de iones de sodio |
| Madurez de la tecnología y las cadenas de suministro | La tecnología está madura y existen cadenas de suministro globales establecidas. | Se comercializa tecnología de primera generación. Cadenas de suministro limitadas. |
| Cost | ~ $130 -$180/kwh | ~ $40-$55/kwh |
| Safety | Alto riesgo de fuga térmica debido a que los materiales celulares se incendian debido a la producción incontrolada de calor | Existe riesgo de fuga térmica para las baterías de iones de sodio, pero puede eliminarse mediante la selección y el diseño de materiales de las celdas en el futuro. |
| Densidad de energia | 150 -250 Wh/kg | 100-160 Wh / kg |
| Tensión | 3.0 ~ 4.5 V | 2.8 ~ 3.5 V |
| Almacenamiento sin cargo | No recomendado, reducirá la duración de la batería. | Permitido. No afectará la duración de la batería |
| Riesgo de la cadena de suministro | Alto, debido al suministro de Litio y refinación concentrada en unos pocos países. | Riesgo bajo, ya que el sodio está disponible en abundancia y es fácil de refinar. |
Baterías de iones de sodio: presente y futuro
Las baterías de iones de sodio han llegado en el momento adecuado, cuando la atención mundial se centra en la descarbonización de la energía. Las baterías de iones de sodio de primera generación ya han demostrado varias ventajas sobre las de iones de litio, particularmente en términos de costo y parámetros de seguridad.
Sin embargo, la demanda actual de este tipo de baterías recargables está impulsada por los vehículos eléctricos y los dispositivos electrónicos personales, donde las baterías de litio dominan el mercado. Debido a la menor densidad de potencia y al mayor peso, será difícil que las de iones de sodio compitan con las baterías de primera generación. Por lo tanto, se están realizando muchos esfuerzos de investigación y desarrollo para mejorar la densidad de potencia de las baterías de iones de sodio. De hecho, un gran avance puede estar cerca, ya que CATL anunció que su batería de iones de sodio de próxima generación alcanzará los 200 kwh/kg. La mejora de la densidad energética a costes competitivos será un desafío interminable para todo tipo de baterías. Por ejemplo, CATL está nuevamente marcando el ritmo al trabajar en un futurista basado en litio. Batería de materia condensada de 500 kwh/kg.
A mediano plazo, el aumento de las inversiones en energía renovable por parte de países de todo el mundo aumentará la demanda de sistemas de almacenamiento de energía. Los fabricantes de baterías de iones de sodio ven esta como la mejor opción, una vez que despegue.
Además de la energía y la densidad de potencia, la tecnología de baterías de iones de sodio continúa desarrollándose para cerrar la brecha con la tecnología de iones de litio. Los científicos están resolviendo problemas relacionados con la degradación de materiales, desarrollando ánodos, cátodos y electrolitos mejores y más baratos, mejorando la seguridad y la capacidad de reciclaje.
Las cadenas de suministro de baterías de iones de sodio también deben ampliarse, para lo cual es necesario realizar las inversiones necesarias.
En conclusión, las baterías de iones de sodio se han convertido en un serio competidor de sus homólogas de iones de litio. Sin embargo, serán necesarios muchos años de desarrollo y éxito comercial antes de que se pueda decir que las baterías de iones de sodio representan el futuro de la energía.
