El medio ambiente y la energía son unas de las principales áreas de preocupación del siglo XXI. El cambio climático asociado al aumento del CO2 en la atmósfera y el agotamiento de los recursos fósiles, además de la dependencia hacia países productores de petróleo políticamente no estables, hace necesario un cambio hacia un modelo energético basado en fuentes renovables.
Nuevas Baterías de Almacenamiento
A pesar del aumento de instalaciones con fuentes de energía renovable, principalmente eólica y fotovoltaica, la intermitencia e imposibilidad de gestión dificulta su uso frente al resto y por tanto para dar el salto definitivo hacia las redes eléctricas del futuro es necesario el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía apropiados.
Los sistemas de almacenamiento electroquímico, como las baterías, se presentan como la mejor solución. Sin embargo, hay algunas dificultades técnicas en términos de eficiencia, vida útil y coste de las tecnologías de almacenamiento actuales que explican por qué el almacenamiento de energía no se ha aplicado de forma generalizada.
Actualmente, las baterías de iones de litio (Li-ion), las cuales han conquistado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles, se han convertido en el principal candidato como fuente energética en la próxima generación de vehículos eléctricos e híbridos. Éstas proporcionan la mayor densidad energética de todas tecnologías actuales de baterías recargables; sin embargo, su elevado coste, la escasez de Li y las limitaciones técnicas (extremadamente sensibles a elevadas temperaturas, sobrecarga, presión interna acumulada, y la intolerancia a la descarga total) son los principales inconvenientes para su uso en el almacenamiento de energía.
En este contexto, las baterías de iones de sodio (Na-ion), a pesar de tener una menor densidad energética, poseen las ventajas suficientes para liderar la próxima generación de baterías para aplicaciones estacionarias dentro de las Smart Grids, en las cuales las limitaciones volumétricas son menores y el coste se convierte en el parámetro crítico. El sodio es abundante y está a continuación del litio en la tabla periódica, por tanto cabe esperar similitudes en términos de tecnología y rendimiento, y superiores a otras tecnologías actualmente en uso como las de Pb-ácido.
Las baterías de Na-ion son especialmente atractivas, ya que se puede utilizar las mismas infraestructuras industriales (misma tecnología de producción) que para las de Li-ion y por tanto minimizar el coste de la transferencia tecnológica. Otra reducción inmediata del coste es la posibilidad de utilizar una lámina de aluminio como colector de corriente tanto en el ánodo como en el cátodo en lugar de cobre (corrosión del aluminio en Li-ion).
Aún quedan muchos retos por resolver, especialmente en lo que se refiere a la vida útil y la seguridad a nivel de prototipo pre-industrial, los resultados actuales muestran que nos encontramos ante una tecnología competitiva a cualquiera de las existentes en términos de rendimiento y coste, que contribuirá a facilitar la gestión energética de las redes eléctricas del futuro.
Perspectiva general de las baterías de sodio-ion
Durante la década de los 80, el desarrollo de las baterías de Na-ion ha sido paralelo a las de Li-ion, pero debido al mejor ratio densidad/volumen ha sido esta última la que ha dominado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles desde 1990. Sin embargo, para aplicaciones estacionarias donde la densidad energética no es el parámetro más importante, la tecnología de Na-ion parece ser una muy excelente opción de futuro, con un coste estimado de <0.1 €/Wh en 2020 (50% inferior a Li-ion) y con la posibilidad de almacenar varios MWh en volúmenes reducidos (3 veces inferior a la tecnología Pb-acido).
Electrodos positivos para baterías de sodio-ion
En los últimos años, muchos materiales han sido propuestos como posibles cátodos para baterías de Na-ion, aunque los más prometedores y en los cuales se están centrando más esfuerzos son los óxidos laminares, los compuestos polianiónicos y el “Azul de Prusia” y sus análogos.
Entre estos materiales se encuentran los óxidos laminares y los compuestos polianiónicos, basados estos últimos en fosfatos, pirofosfatos, fluorofosfatos, sulfatos,etc.; que ofrecen una gran versatilidad para el desarrollo de nuevos materiales catódicos para baterías de Na-ion. Pero veamos en qué consiste el Azul de Prusia.
Uno de los materiales que más está captando la atención últimamente es el conocido como Azul de Prusia, AM[M´(CN)6] (A = metal alcalino, M = M´= generalmente Fe). Entre sus ventajas, cabe destacar su facilidad de síntesis, su naturaleza amigable con el medio ambiente y su estructura 3D y modulable, que facilita la intercalación de iones. Entre sus inconvenientes, mencionar una baja eficiencia coulómbica debido al colapso que suele producirse en su estructura a lo largo del ciclado. Actualmente se está trabajando en la prueba de concepto de una batería completa tal y como se ha demostrado en el Azul de Prusia.
Electrodos negativos para baterías de sodio-ion
La identificación de un ánodo con un voltaje adecuado, una gran capacidad reversible y una elevada estabilidad es necesaria para el desarrollo de las baterías de Na-ion. A pesar de llevarse a cabo una gran variedad de estudios, actualmente y desde un punto de vista industrial y futuras aplicaciones, solo el carbón desordenado se ha contemplado como un material anódico prometedor para baterías de Na-ion.
Los carbones desordenados son los materiales anódicos más estudiados y proporcionan una capacidad reversible de ~ 300 mAh g-1 a ~ 0.1 V. Si a sus excelentes prestaciones se le añade el hecho que son materiales de bajo coste (<1 € / kg) hacen de ellos uno de los materiales más atractivos para ánodos en baterías de Na-ion.
Por otra parte, también se está investigando en las Carbodiimidas y en las baterías de sodio-ion en medio acuoso. Uno de los enfoques más prometedores para la reducción de costes en baterías de Na-ion es el uso de electrolitos acuosos, y que además presentan una movilidad iónica más elevada y una mayor seguridad que los electrolitos orgánicos convencionales, aunque la ventana de voltaje es más pequeña.
Gracias a la variedad de ventajas que posee en términos de coste, y disponibilidad, conjuntamente con las prometedoras mejoras en cuanto a rendimiento, durabilidad y seguridad, hacen de la tecnología de Na-ion una clara opción de futuro para el almacenamiento de energía en Smart Grids. En este aspecto estamos trabajando, y por ello, los prometedores resultados obtenidos hasta el momento, hacen pensar que esto es posible.
