A medida que aumentan las ventas de vehículos eléctricos, los suministros de litio pueden reducirse. Entonces, algunas empresas están incorporando células con sodio, lo que proporciona una carga casi igual
MEDIO SIGLO Hace, la batería del futuro se construyó con sodio.La razón tiene que ver con por qué los mares son salados. El sodio es un elemento ligero que se ioniza fácilmente, cediendo uno de sus electrones. En una batería, esos iones van y vienen entre dos placas con carga opuesta, generando una corriente. Esta parecía una forma prometedora de alimentar una casa o un automóvil. Pero luego otro elemento estrelló la fiesta: el litio, el vecino del piso de arriba del sodio en la tabla periódica. En 1991, Sony comercializó la primera batería recargable de iones de litio, que era lo suficientemente pequeña y portátil para alimentar sus cámaras de video portátiles. El litio era más liviano y más fácil de trabajar que el sodio, por lo que surgió una industria de baterías a su alrededor. Las empresas y los laboratorios de investigación se apresuraron a acumular más energía en menos espacio. El sodio se desvaneció en un segundo plano.
Así que fue sorprendente este verano cuando CATL de China, uno de los mayores fabricantes de baterías del mundo, anunció que el sodio jugaría un papel en el futuro electrificado. CATL, al igual que sus competidores, es una empresa de litio de principio a fin. Pero a partir de 2023, comenzará a colocar celdas de sodio junto con las de litio dentro de los paquetes de baterías que alimentan los autos eléctricos. ¿Por qué? Bueno, por un lado, un ejecutivo de CATL señaló que el sodio es más barato que el litio y funciona mejor en climas fríos. Pero también cubría un problema que era difícil de imaginar en 1991. Para fines de esta década, el mundo se quedará sin materias primas para baterías, no solo litio, sino también metales como el níquel y el cobalto. Ahora que la electrificación está ocurriendo a gran escala, es hora de pensar en la diversificación.
El anuncio de CATL “realmente inyectó nueva energía a las personas que trabajan con sodio”, dice Shirley Meng, científica de baterías de la Universidad de California en San Diego que trabaja extensamente con ambos elementos. Cuando era una profesora joven, Meng comenzó a trabajar con sodio en parte porque estaba buscando un nicho convenientemente extraño en el que destacarse, pero también porque creía que tenía potencial. “La mayor barrera para el éxito del sodio fue que el litio tuvo tanto éxito”, dice.
El litio no es excepcionalmente raro. Pero los depósitos se concentran en lugares difíciles de extraer. Entonces, empresas como CATL compiten para asegurar una porción del suministro de un número limitado de minas, la mayoría ubicadas en Australia y los Andes. Mientras tanto, las reservas en América del Norte están involucradas en disputas ambientales , lo que genera preocupación en los EE. UU. Sobre la seguridad de las cadenas de suministro. La competencia es aún más feroz por el níquel, que Elon Musk ha llamado la " mayor preocupación " para el futuro de las baterías de vehículos eléctricos, debido a las limitaciones de precio y suministro, y por el cobalto, el 70 por ciento del cual se extrae en la República Democrática del Congo.
A medida que se abran más minas, probablemente habrá suficiente litio para alimentar todos los vehículos del mundo, dice Meng. Pero eso no tiene en cuenta todas las cosas preparadas para la electrificación que no son los automóviles: principalmente, las baterías que administrarán la carga dentro de las microrredes y mantendrán nuestras luces encendidas por la noche cuando los paneles solares de la azotea están en la oscuridad. Esos son los tipos de aplicaciones que Meng tenía en mente cuando se dedicó a la investigación del sodio. "Pensaba que todos tendrían un refrigerador para electrones en su casa de la misma manera que usted tiene un refrigerador para alimentos", dice. "Creo que esa es realmente la visión para el almacenamiento en red".
El sodio es un elemento común que generalmente se extrae de la ceniza de sosa, pero se puede encontrar básicamente en cualquier lugar, incluso en el agua de mar y en la turba de los pantanos. También resulta adecuado para los tipos de aplicaciones que describe Meng. Los iones son un poco más pesados y más grandes que los del litio, lo que significa que no se puede acumular tanta energía en un espacio pequeño, como la panza de un automóvil. “Donde las baterías de sodio pueden tener un gran impacto es en la red”, explica Nuria Tapia-Ruiz, profesora de la Universidad de Lancaster y directora de la iniciativa de baterías de sodio de la Institución Faraday. Esas baterías pueden ser un poco más grandes, un poco más pesadas, pero no importa porque solo necesitan estar firmes.
Históricamente, dice Tapia-Ruiz, las baterías de sodio se han retenido en parte debido a la estabilidad química. Si bien el sodio y el litio son vecinos periódicos, existen en universos de química paralelos, reaccionando de manera diferente con varios elementos y compuestos. Esto significa que cambiar a sodio requiere desarrollar materiales novedosos para el cátodo y el ánodo de la batería, los electrodos positivos y negativos que capturan y liberan iones a medida que la batería se carga y luego se gasta. Un problema particular es que las reacciones químicas dentro de la batería pueden consumir el electrolito que se encuentra entre los electrodos, reduciendo la vida útil de la batería o arriesgando la creación de sodio metálico, que puede ser explosivo. Otro desafío es que las baterías de sodio de alta densidad energética contienen normalmente níquel, al igual que muchas baterías de litio. Eliminar ese metal es una preocupación clave para los investigadores, aunque difícil. “Pero eso es lo correcto porque quieres crear una tecnología que sea sostenible y muy ecológica”, dice Tapia-Ruiz.
Pero el puñado de laboratorios y nuevas empresas que todavía trabajan con sodio han logrado un progreso silencioso en las últimas décadas. Natron, una startup con sede en California, fabrica baterías de sodio principalmente para energía de respaldo en instalaciones industriales y centros de datos. La compañía utiliza un material llamado azul de Prusia como base para sus electrodos, una variación del pigmento sintético temprano utilizado en pinturas icónicas, incluida Under the Great Wave Off Kanagawa .Dentro de una batería, el diseño no es especialmente denso en energía, incluso para los estándares de sodio. Pero una ventaja, según Jack Pouchet, vicepresidente de ventas de la empresa, es que "nuestra cadena de suministro podría ser local". Contiene elementos comunes como sodio, manganeso y hierro, y la fábrica está en Santa Clara, California. Por lo que le falta en almacenamiento de energía, la batería puede cargar y dispensar esa energía rápidamente. Oomph sobre el rango. La compañía espera que sus baterías se puedan usar para cargar rápidamente autos eléctricos cuando la red eléctrica se estire demasiado. Natron está avanzando con planes para instalar tales dispositivos en San Diego, dice Pouchet.
El otro argumento de la empresa es la seguridad. Pouchet señala los incidentes en las operaciones de almacenamiento de baterías en la red, incluido un incendio importante en una instalación de baterías en Australia y el sobrecalentamiento en otra instalación en California , lo que genera preocupaciones sobre la conveniencia de colocar baterías en la casa de todos, por muy raros que sean esos incendios. "No me gustaría tener eso en mi garaje", dice. El sitio web de la compañía presenta videos de demostración de cómo aplastar y calentar los paquetes de baterías y dispararlos con un arma, todo sin problemas aparentes.
Pero, en general, la seguridad de las baterías de sodio "no es perfecta", dice Meng, y depende del diseño específico de la batería. Todo se reduce a emparejar el cátodo y el electrolito correctos, y eliminar los riesgos de incendio es más difícil para las baterías con mayor densidad de energía, como las que se encuentran en los automóviles, o las diseñadas para dispensar energía durante un período de tiempo más largo, como las baterías de almacenamiento de la red.
CATL también dice que sus diseños de sodio son seguros, además de ofrecer una mayor densidad de energía con un cátodo sin níquel. La batería es comparable, afirma la compañía, a las baterías de litio-hierro-fosfato o LFP, que son cada vez más populares en los automóviles de gama media. CATL también compensa la menor densidad de energía emparejando las baterías de sodio con celdas de litio. La compañía ha dicho que su objetivo es hacer que los dos elementos también sean en gran medida intercambiables en el proceso de fabricación, colocando el sodio junto con el litio en su extensa y compleja cadena de suministro.
Eso es muy importante, explica Meng, porque cualquier comparación de costos entre los diseños de sodio y litio dependerá de la ampliación de la producción de baterías de sodio. Eso depende de grandes fabricantes como CATL. Wood Mackenzie, una consultora que se enfoca en recursos naturales, estima que las baterías de sodio costarán un 40 por ciento menos de fabricar que las baterías LFP, en gran parte debido a los materiales baratos, pero solo una vez que se escala la producción de sodio. La firma dice que se espera que el litio siga siendo dominante en los próximos años.
Meng señala que tecnologías como el sodio y otras alternativas de litio, que incluyen zinc y vanadio, también son una oportunidad para que lugares como Estados Unidos, que carece de una industria de baterías extensa, construyan una. Meng y otros investigadores de UC San Diego lanzaron recientemente una iniciativa para establecer técnicas de fabricación para baterías de sodio de estado sólido , una próxima generación de tecnología que sería mucho más segura y con mayor densidad de energía que las baterías que tenemos ahora. Está muy lejos: los investigadores y las nuevas empresas están luchando por comercializar baterías de litio de estado sólido, y las versiones de sodio han recibido mucha menos financiación y atención. Pero vale la pena planificar el futuro, agrega, y continuar trabajando con los desamparados. "Todavía hay muchos más descubrimientos interesantes que se pueden hacer", dice.
[Fuente]:wired.com
SCIENCE SOURCE.( 8 de Noviembre de 2021).Sodio y bateria.[Fotografía]. Modificado por Carlos Zambrado Recuperado de wired.com