Energía
Baterías de estado sólido de sodio sin ánodo podrían reducir la dependencia del ‘Triángulo del litio’
Las muchas formas de hacer una batería
Los fabricantes de baterías están innovando constantemente en una carrera para crear la mejor tecnología. En los últimos años, esto ha sido impulsado por el incentivo de capturar el creciente mercado de vehículos eléctricos y el mercado de baterías a escala de utilities, que está creciendo aún más rápidamente.
Una vez construidas sobre la tecnología de iones de litio, las baterías están buscando más allá de este diseño para resolver los problemas de Li-ion: demasiado caras, que utilizan metales raros, riesgos de incendio, etc.
Fuente: Research Gate
Una alternativa es el ion de sodio, que utiliza sodio en lugar de litio a costa de una menor densidad de energía.
Otra alternativa son las baterías de estado sólido. Al eliminar la necesidad de electrolitos, pueden ser más densas y, por lo tanto, requieren menos de ellos para el mismo rendimiento de los vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido también deberían ser mucho más rápidas para cargar.
Otros enfoques más atrevidos no simplemente cambian la química, sino la estructura de la batería en sí. Notablemente, las baterías sin ánodo eliminan por completo una parte de la batería.
Los investigadores ahora están buscando combinar estos enfoques, notablemente con la publicación reciente de un diseño para la primera batería de sodio de estado sólido sin ánodo del mundo.
Batería de sodio de estado sólido sin ánodo
Publicado en Nature Energy con el título “Principios de diseño para permitir una batería de sodio de estado sólido sin ánodo“, los investigadores de la Universidad de California y la Universidad de Chicago no solo han creado una batería de estado sólido, sino que también utilizan sodio en lugar de litio y sin ánodo.
Batería de sodio
El sodio es un ion muy abundante, virtualmente ilimitado en el océano, 1.000 veces más abundante en la corteza terrestre que el litio. Esto lo convierte en una muy buena alternativa al litio.
Es importante porque el litio está alcanzando varios límites debido al auge de los vehículos eléctricos:
- Es demasiado caro, lo que hace que la electrificación en sí sea demasiado costosa.
- Su extracción es perjudicial para el medio ambiente.
- Se produce solo en unos pocos lugares del mundo y se refina principalmente en China, lo que genera riesgos geopolíticos.
Debido a que es tan omnipresente y abundante, es muy improbable que el sodio experimente la inestabilidad de precios y la escasez que experimentó el litio en los últimos años.
El problema es que las baterías de sodio generalmente no son lo suficientemente densas como para competir con las baterías basadas en litio, excepto para los modelos de vehículos eléctricos de bajo precio.
Batería sin ánodo
Normalmente, una batería tiene un ánodo que almacena los iones mientras la batería se está cargando. Luego fluyen hacia el cátodo cuando la batería libera su energía.
Las baterías sin ánodo almacenan los iones en un depósito electroquímico de metal alcalino directamente en el colector de corriente.
Esto permite una mayor tensión de celda, un menor costo de celda y una mayor densidad de energía.
Fuente: University Of Chicago
El problema con un diseño sin ánodo es que el colector de corriente tiende a ver un depósito de construcción a partir del electrolito líquido, lo que daña la batería.
Batería de estado sólido
Las baterías de estado sólido han sido esperadas durante mucho tiempo como la “forma final” de almacenamiento de energía basado en baterías, especialmente para aplicaciones que requieren una movilidad de muy alta densidad.
Eliminar el electrolito reduce el peso total de la batería y hace que la batería sea muy rápida para cargar y descargar.
El problema con estos diseños es generalmente manejar un sistema lo suficientemente sólido, ya que los metales tienden a hincharse al cargar.
Además, el problema de crecer dendritas que pueden crear atajos (y por lo tanto incendios) siempre está presente en el fondo, al igual que con las baterías de iones de litio.
Sodio sin ánodo de estado sólido
En el contexto de un diseño sin ánodo, un problema adicional es que un electrolito sólido clásico no puede interactuar adecuadamente con el colector de corriente.
Los investigadores resolvieron este problema utilizando polvo de aluminio como colector de corriente, que es un sólido que puede fluir como un líquido.
Fuente: University Of Chicago
Muchos beneficios
Al ser sólido, el electrolito de aluminio también evita la formación de dendritas, la principal causa de la vida útil demasiado corta de las baterías de estado sólido.
También proporciona una interfaz estable y evita que parte del sodio sea inaccesible para la corriente, lo que reduciría la capacidad de la batería.
Por último, permite una alta densidad de energía, con las diferentes opciones para esta batería de sodio de estado sólido que van desde 200-400 Wh/kg.
Fuente: University Of Chicago
Aunque esto es un poco menor que las baterías de estado sólido basadas en litio, todavía es mucho más fuerte que las baterías actualmente utilizadas. Combinado con la economía de materiales mucho más baratos, con sodio y aluminio reemplazando al litio, cobalto y níquel, podría ser una combinación ganadora.
El poder de la combinación
Hace solo unos años, la idea de baterías de sodio, o baterías sin ánodo, era solo un concepto que muchos dudaban que alcanzara un nivel comercial. Lo mismo se puede decir de las baterías de estado sólido.
Esto está cambiando rápidamente para cada una de estas categorías, así como para muchas otras químicas y diseños potenciales que exploramos en nuestros artículos “El futuro del almacenamiento de energía – Baterías a escala de utilities” y “El futuro de la movilidad – Tecnología de baterías“.
Parece que estamos entrando en una nueva etapa, en la que los investigadores ahora están mirando todas estas conceptos de baterías ahora probados y comenzando a combinarlos.
Sorprendentemente, podría ayudar a superar las limitaciones individuales de cada idea.
En este ejemplo, tanto los problemas de dendritas de las baterías de estado sólido como el problema de depósito en el colector de corriente del diseño sin ánodo se resuelven utilizando polvo de aluminio.
El polvo de aluminio solo en un diseño sin ánodo aún rendiría una densidad demasiado baja.
El polvo de aluminio en baterías de estado sólido no sería lo suficientemente barato sin utilizar sodio.
Mientras que el sodio solo es barato pero no lo suficientemente denso como para cumplir con el requisito para la movilidad.
Así que parece que combinar diferentes elementos de diseño puede ayudar a combinar sus respectivas ventajas mientras también elimina o al menos atenúa sus problemas individuales, creando un conjunto mucho más grande de oportunidades futuras para químicas de baterías innovadoras de lo que se pensaba anteriormente.
Empresas de baterías de sodio
1. CATL
CATL es el líder global en la fabricación de baterías, produciendo más de la mitad del volumen de baterías global. La empresa está presente en cada paso de la cadena de suministro de fabricación de baterías y es líder en tecnología de baterías.
Esto es cierto para las baterías de iones de litio, donde la empresa ha sido un líder establecido durante mucho tiempo. CATL también ha anunciado un progreso impresionante en varios otros tipos de baterías:
- Una batería de ultra larga vida de 12.000 ciclos para el almacenamiento de energía a escala de utilities, con 18.000 ciclos como objetivo a largo plazo.
- Una batería LFP (Fosfato de hierro y litio) de 700 km que carga 400 km de autonomía en 10 minutos.
- Una batería de 500 Wh/kg, que podría permitir la electrificación de aviones de pasajeros.
- Producción en masa de baterías de iones de sodio de 160 Wh/kg, con un objetivo de 200 Wh/kg.
Fuente: CATL
La empresa está entrando en el mercado de baterías a escala de utilities, con el anuncio de su rendimiento del sistema TENER. Es “el primer sistema de almacenamiento de energía producible en masa con cero degradación en los primeros cinco años de uso en Beijing, China</a)”.
Energía inmensa en un espacio compacto: contenedor de 20 pies con capacidad de 6,25 MWh
Impulsado por tecnologías de vanguardia y capacidades de fabricación extremas, CATL ha resuelto los desafíos causados por metales de litio altamente activos en baterías de cero degradación, lo que ayuda efectivamente a prevenir la carrera térmica causada por reacciones de oxidación.
CATL también ha invertido 3.250 millones en capacidades de reciclaje de baterías en China. CATL ha logrado notablemente una tasa de recuperación del 99,6% para níquel, cobalto, manganeso y 91% para litio.
Gracias a su escala, enfoque y logros de I+D, CATL probablemente estará a la vanguardia de la innovación, fabricación y reciclaje de baterías. Esto lo convierte en un socio clave para los fabricantes de vehículos eléctricos, incluidos Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.
2. BYD
Un desafío de largo tiempo para Tesla en el mercado de vehículos eléctricos, BYD se ha convertido en un competidor serio no solo para Tesla, sino para prácticamente todos los fabricantes de automóviles.
La empresa evolucionó desde su origen como proveedor de baterías para teléfonos hasta vender casi tantos vehículos eléctricos como Tesla en China (el mayor mercado de vehículos eléctricos del mundo) y ser el vehículo eléctrico más vendido en Tailandia, Suecia, Australia, Nueva Zelanda, Singapur, Israel y Brasil.
BYD es una gran parte de por qué China se convirtió repentinamente en el mayor exportador de automóviles del mundo en 2023, superando a Japón. La expansión agresiva de BYD en el extranjero también se lleva a cabo con nuevas fábricas, como en Hungría.
Y con el lanzamiento de autos de $10.000-$12.000 como el Seagul, que utilizan baterías de sodio, un mercado completamente nuevo podría abrirse para los vehículos eléctricos de BYD.
Fuente: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738
Aún en su núcleo, un fabricante de baterías, BYD es un desafío serio para CATL en el mercado de baterías LFP, con una participación de mercado del 41,1% en China (en comparación con el 33,9% de CATL).
La “inundación” de vehículos eléctricos baratos producidos por BYD en los mercados europeos y americanos probablemente se encuentre con algún nivel de proteccionismo (incluso por encima de los aranceles recientemente impuestos), lo que podría obstaculizar el crecimiento de BYD.
Pero al mismo tiempo, los vehículos eléctricos baratos chinos ya son un gran éxito en el resto del mundo, que no tiene incumbentes mucho en el camino de los fabricantes de automóviles nacionales para proteger, incluyendo la totalidad de América del Sur, Rusia, África, Oriente Medio y Sudeste Asiático.
Esto representa varios miles de millones de clientes potenciales para BYD, que viven en países ansiosos por mantener un equilibrio geopolítico y mantener buenas relaciones con Occidente y China, por lo que es poco probable que cree barreras proteccionistas demasiado fuertes.
Y incluso en la UE o la USA, BYD podría mantenerse competitivo, gracias a los precios mucho más altos de los fabricantes de vehículos eléctricos locales en comparación con los precios en China, así como la localización de la producción fuera de China para estos mercados, como, por ejemplo, en Europa del Este, México o Turquía.
