Baterías de sodio a bajo coste, alternativa a las caras de litio

Sodio

Investigadores de Stanford han desarrollado una batería basada en sodio que puede almacenar la misma cantidad de energía que una de litio de última generación, a un coste sustancialmente menor.

El ingeniero químico Zhenan Bao y sus colaboradores de la facultad, los científicos de materiales Yi Cui y William Chueh, no son los primeros investigadores en diseñar una batería de iones de sodio.

 

Pero creen que el enfoque que describen en Nature Energy tiene las características de precio y rendimiento para crear una batería de ion sodio que cuesta menos del 80 por ciento de una batería de iones de litio con la misma capacidad de almacenamiento.

 

"Nada puede superar el rendimiento del litio", dijo Bao en un comunicado. "Pero el litio es tan raro y costoso que necesitamos desarrollar baterías de alto rendimiento pero de bajo costo basadas en elementos abundantes como el sodio".

 

Con materiales que constituyen aproximadamente la cuarta parte del precio de una batería, el coste del litio --alrededor de 15.000 dólares por tonelada refinada-- se cierne a gran escala. Es por eso que el equipo de Stanford está basando su batería en material de electrodo a base de sodio ampliamente disponible que cuesta sólo 150 dólares la tonelada.

 

Este electrodo a base de sodio tiene una composición química común a todas las sales: tiene un ion cargado positivamente - sodio - unido a un ion cargado negativamente. En la sal de mesa, el cloruro es el socio positivo, pero en la batería de Stanford un ion de sodio se une a un compuesto conocido como mio-inositol.

 

A diferencia del cloruro en la sal de mesa, el mio-inositol no es una palabra familiar. Pero es un producto doméstico, que se encuentra en alimentos para bebés y se deriva del salvado de arroz o de un subproducto líquido del proceso usado para moler el maíz. Crucial en la idea de bajar el coste de los materiales de la batería, el mio-inositol es un compuesto orgánico abundante y familiar a la industria.

 

La sal de sodio forma el cátodo, que es el polo de la batería que almacena los electrones. La química interna de la batería traslada esos electrones hacia el ánodo, que en este caso está hecho de fósforo. Cuanto más eficientemente transporte el cátodo estos electrones hacia adelante y hacia atrás en comparación con el ánodo, mejor funciona la batería.

 

Para este prototipo, el estudioso postdoctoral Min Ah Lee y el equipo de Stanford mejoraron la forma en que el sodio y el mio-inositol permiten ese flujo de electrones, aumentando significativamente el rendimiento de esta batería de iones de sodio en comparación con los intentos previos. Los investigadores se centraron principalmente en las comparaciones costo-rendimiento favorables entre su batería de iones de sodio y litio de última generación.  En el futuro tendrán que mirar la densidad volumétrica de la energía: cómo de grande debe ser una batería de ion del sodio para almacenar la misma energía que un sistema del ion del litio.

 

Además, el equipo optimizó el ciclo de carga y recarga de la batería, por ejemplo, la eficacia con la que la batería almacena la electricidad proveniente de una instalación solar en la azotea, y la eficacia de la energía almacenada para, digamos, funcionar las luces de la casa por la noche.

 

Para comprender mejor las fuerzas de nivel atómico que están en juego durante este proceso, el estudioso postdoctoral Jihyun Hong y el estudiante de posgrado Kipil Lim trabajaron con Chueh y Michael Toney, científico del Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC. Estudiaron con precisión cómo los iones de sodio se unen y se separan del cátodo, una visión que ayudó a mejorar su diseño general de la batería y el rendimiento.

 

Los investigadores de Stanford creen que su estudio demuestra que las baterías de sodio pueden ser alternativas rentables a las baterías de litio. Después de haber optimizado el cátodo y el ciclo de carga, los investigadores planean concentrarse luego en ajustar el ánodo de su batería de iones de sodio.

 

"Esto ya es un buen diseño, pero estamos seguros de que se puede mejorar mediante la optimización del ánodo de fósforo", dijo Cui.

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