Alimentan teléfonos diminutos y autos eléctricos de dos toneladas. Son la parte esencial de un número creciente de sistemas de almacenamiento de centrales eólicas y solares. Y en 2019, tres investigadores pioneros en el tema ganaron un premio Nobel gracias a ellas. Pero las baterías de iones de litio (Li-ion) también tienen desventajas.
El litio es escaso, por ejemplo. Y las mejores baterías de iones de litio, aquellas con cátodos de óxido en capas, también requieren de cobalto y níquel. Estos metales son escasos, y el cobalto también es problemático, porque gran parte de la producción se extrae en la República Democrática del Congo, donde las condiciones laborales dejan mucho que desear. Un segundo tipo de batería de iones de litio, las del llamado diseño polianiónico, que utiliza fosfato de hierro y litio (LFP), no necesitan níquel ni cobalto. Pero estas baterías no pueden almacenar tanta energía por kilogramo como las de óxido en capas.
Sin embargo, un grupo de empresas cree que tienen una alternativa: fabricar baterías con sodio. A diferencia del litio, el sodio es abundante: constituye la mayor parte de la sal de los océanos. Y los químicos han descubierto que los cátodos de óxido en capas que utilizan sodio en lugar de litio pueden funcionar sin cobalto o níquel. Por lo tanto, la idea de fabricar baterías de iones de sodio (o iones de Na) a escala está ganando terreno. Los ingenieros están modificando los diseños y están surgiendo fábricas, particularmente en China. Por primera vez desde que comenzó la revolución del Li-ion, el lugar del litio en el pedestal electroquímico está siendo cuestionado.
Sales de la tierra
El litio y el sodio, miembros de un grupo de metales llamado alcalinos, se encuentran justo debajo del hidrógeno en la primera columna de la tabla periódica. Los metales alcalinos son famosos por su reacción. Esto se debe a que la capa más externa de electrones que rodea el núcleo de un átomo de metal alcalino tiene un solo ocupante. Estos electrones de “valencia” se desprenden fácilmente, creando iones positivos (cationes) que pueden unirse con sus homólogos negativos (aniones), como los iones hidroxilo derivados del agua. Los resultados son compuestos como el hidróxido de litio y el cloruro de sodio, más conocidos como sal de mesa.
Sin embargo, si los electrones perdidos son encaminados a sus destinos a través de un cable, en lugar de saltar directamente a un átomo o grupo de átomos vecino, el resultado es una celda electroquímica. Se puede extraer energía de esto a medida que los electrones viajan a través del cable. Por el contrario, si todo el proceso se invierte aplicando una corriente, la célula se puede recargar.
Todo esto se aplica tanto al sodio como al litio. Dadas las ventajas de costos del sodio, los que no son químicos pueden preguntarse por qué no se prefirió al litio en primer lugar. La respuesta es que los átomos de sodio son más grandes y pesados que los de litio. Una batería de sodio será más grande y pesada que una de litio de la misma capacidad.
El tamaño pequeño y el peso reducido son cruciales para los teléfonos, y al menos deseables en los automóviles. Pero no importan en todas partes. Las baterías de sodio podrían funcionar para el almacenamiento a escala de red, el almacenamiento doméstico y medios de transporte pesados, como camiones y barcos.
El interés de China surge en parte del actual plan económico quinquenal del gobierno, que comenzó en 2021 y que tiene como objetivo, entre otras cosas, explorar una variedad de baterías. La consultora inglesa Benchmark Mineral Intelligence enumera 36 empresas chinas que fabrican o investigan baterías de sodio. Estas firmas en su mayoría esconden sus cartas: en cuatro casos, los investigadores de Benchmark ni siquiera pueden determinar exactamente qué química de la batería está involucrada. Sin embargo, en general se acepta que el líder de la manada es la compañía CATL, con base en Fujian.
CATL ya es el mayor fabricante mundial de baterías de iones de litio para vehículos. En 2021 anunció la primera batería de sodio del mundo para autos eléctricos. La automotriz Chery ya informó que utilizará baterías de sodio de CATL, junto con algunas de litio, en su marca Icar, que se lanzará en breve.
BYD, el principal rival de CATLl y fabricante de automóviles por derecho propio, está igualmente activo. Su modelo Seagull, que fue presentado en el Salón del Automóvil de Shanghai en abril, pronto también contará con baterías de iones de Na. Farasis Energy, otro fabricante de baterías establecido, se ha asociado con Jiangling Motors; HiNa Battery Technology, una empresa creada específicamente para desarrollar baterías de iones de sodio, está colaborando con JAC Group, otro fabricante de automóviles; y Svolt, una filial de Great Wall Motor, ya tiene un socio automotriz en su empresa matriz.
Según Benchmark, estas cinco empresas, junto con otras 22, utilizan cátodos de óxido estratificado. Y aquí es donde entran el cobalto y el níquel. La experiencia ha demostrado que las capas de óxido que contienen iones de cobalto y níquel (junto con las de manganeso, que es barato y fácil de extraer) dan como resultado los mejores cátodos de baterías de litio.
El cobalto y el níquel (así como el manganeso y el hierro) son los llamados metales de transición y tienen más de un electrón de valencia. Mientras que los iones de litio y sodio siempre tienen una única carga positiva, el cobalto, por ejemplo, puede formar iones con cargas de +2 o +3. Cuando un electrón llega al cátodo de una batería de óxido en capas, reacciona con un ion de metal de transición, reduciendo su carga positiva en uno y creando una carga negativa neta. Un ion de metal alcalino (que tiene carga positiva) se mueve hacia la estructura cristalina para equilibrar las cargas.
En las baterías de sodio, los cátodos de óxido en capas se pueden fabricar solo con manganeso y hierro (aunque se pueden condimentar con metales como cobre y titanio para mejorar el rendimiento). El porqué no está del todo claro. Dominic Bresser, del Instituto Tecnológico de Karlsruhe, en Alemania, cree que esto se debe a que los tamaños más grandes de los átomos de sodio y sus propiedades electrónicas algo diferentes les permiten encajar en una gama más amplia de cristales. Cualquiera sea la respuesta, el resultado práctico es una gran reducción del costo de los materiales.
Grilla de partida
De acuerdo a un informe de Benchmark, las empresas chinas tienen 34 fábricas de baterías de iones de sodio construidas, en obras o anunciadas dentro del país, y una más planeada en Malasia.
En cambio, los fabricantes de baterías establecidos en otros lugares todavía no muestran mucho interés. Sin embargo, incluso sin un plan quinquenal que los guíe, algunas nuevas empresas no chinas están tratando de adelantarse desarrollando alternativas a los óxidos en capas, con la esperanza de mejorar la tecnología, reducir su costo, o ambas cosas.
Uno de los nuevos jugadores más intrigantes es Natron Energy, de Santa Clara, California. Al menos por el momento, los cátodos de óxido estratificado de iones de sodio son menos duraderos que sus homólogos de iones de litio. Natron afirma que sus celdas pueden soportar 50.000 ciclos de carga y descarga, entre diez y 100 veces más de lo que pueden ofrecer las baterías comerciales de iones de litio. La empresa ha construido una fábrica en Michigan y, según ya anunció, iniciará la produccción a fines de este año.
Esperanzas chinas
Otras empresas no chinas están menos avanzadas, pero están llenas de esperanza. La firma Otro, en Suecia, está construyendo una fábrica, empleando un material llamado blanco de Prusia que sustituye parte del hierro del azul de Prusia por sodio. Tiamat, en Francia, utiliza un diseño polianiónico que incluye vanadio. Y Farradion, en Gran Bretaña (ahora propiedad del grupo indio Reliance), tiene la intención de seguir con un sistema de capas de óxido metálico.
Queda por ver cómo se desarrollarán las cosas. McNulty insta a tener precaución, al menos a corto plazo. Las tecnologías de baterías tardan en madurar (las primeras investigaciones sobre baterías de litio se remontan a los años 60). Benchmark predice que la capacidad de fabricación de baterías de sodio en 2030 será de unos 140 gigavatios-hora de almacenamiento al año. Sin embargo, la empresa cree que solo un poco más de la mitad de esta capacidad se destinará a producir células. Esto equivale al 2% de su proyección de producción de celdas de litio para ese año.
Sin embargo, las baterías de sodio tienen un aspecto atractivo. Para el almacenamiento en red, parecen competidores serios de las baterías de litio, aunque también tendrán que competir con otros rivales novedosos, como las baterías de flujo de vanadio. Sus principales rivales en los mercados de camiones y transporte marítimo probablemente sean las pilas de combustible de hidrógeno, pero se trata de una tecnología no probada que depende de una infraestructura aún no construida para suministrar hidrógeno.
Para aplicaciones de alto valor y sensibles al peso, como los coches eléctricos o incluso los aviones, su futuro es menos seguro. El factor decisivo serán los precios de los materiales. Si la prospección de litio, cobalto y níquel crea suficientes minas nuevas para mantenerlas bajas, el incentivo para pagar a científicos e ingenieros para aumentar la cantidad de energía por kilogramo que las baterías de sodio pueden almacenar puede evaporarse. Pero si los costos de esos metales siguen siendo altos, la historia puede ser otra.
