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Batería de iones de sodio

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Una batería de iones de sodio ( NIB , SIB o batería de iones de sodio ) es una batería recargable que utiliza iones de sodio (Na + ) como portadores de carga . En algunos casos, su principio de funcionamiento y la construcción de la celda son similares a los de las baterías de iones de litio (LIB), pero se diferencian en que la batería se fabrica con litio en lugar de sodio como ion intercalante . El sodio pertenece al mismo grupo de la tabla periódica que el litio y, por lo tanto, tiene propiedades químicas similares . Sin embargo, diseños como las baterías acuosas son bastante diferentes de las LIB.

Un acumulador de iones de sodio (Alemania, 2019)

Las baterías de iones de sodio (SIB) recibieron interés académico y comercial en la década de 2010 y principios de la de 2020, debido principalmente al alto costo del litio, su distribución geográfica desigual y su proceso de extracción perjudicial para el medio ambiente. A diferencia del litio, el sodio es abundante, [ 2 ] particularmente en agua salada . Además, el cobalto , el cobre y el níquel no son necesarios para muchos tipos de baterías de iones de sodio como sí lo son para las baterías de litio, y los materiales abundantes a base de hierro (como NaFeO2 con elFe3+/Fe4+{\displaystyle {\ce {Fe3+/Fe4+}}}par redox) [ 3 ] funcionan bien enN / A+{\displaystyle {\ce {Na+}}}baterías. Esto se debe a que el radio iónico del Na + (116 pm ) es sustancialmente mayor que el del Fe2 + y Fe3 + (69–92 pm dependiendo del estado de espín ), mientras que el radio iónico del Li + es similar (90 pm). Los radios iónicos similares del litio y el hierro permiten que se mezclen en el cátodo durante el ciclo de la batería, lo que reduce la carga ciclable. Una desventaja del mayor radio iónico del Na + es la cinética de intercalación más lenta . [ 4 ]   

Número de familias de patentes simples y de publicaciones no patentadas sobre baterías de Na + en función de la prioridad o el año de publicación más antiguo. (Nota: escala logarítmica, por ejemplo, "3" significa 1000  publicaciones).

El desarrollo moderno de Na +La producción de baterías comenzó en la década de 1990. Empresas como HiNa y CATL en China, Faradion en el Reino Unido, Tiamat en Francia, Northvolt en Suecia, [ 5 ] y Natron Energy en los EE. UU., afirmaron estar cerca de la comercialización, empleando óxidos de metales de transición en capas de sodio ( Nax TMO2 ), blanco de Prusia (unanálogodel azul de Prusia [ 6 ] ) ofosfato de vanadiocomo materiales de cátodo. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Los acumuladores de iones de sodio están operativos para el almacenamiento en redes eléctricas fijas , y los vehículos con baterías de iones de sodio están disponibles comercialmente para los scooters ligeros fabricados por Yadea , que utilizan la tecnología de baterías de iones de sodio de HuaYu. [ 14 ] [ 15 ]

Historia

El desarrollo de las baterías de iones de sodio tuvo lugar en las décadas de 1970 y principios de 1980. Sin embargo, en la década de 1990, las baterías de iones de litio demostraron un mayor potencial comercial, lo que provocó una disminución del interés en las baterías de iones de sodio. [ 16 ] [ 17 ] A principios de la década de 2010, las baterías de iones de sodio experimentaron un resurgimiento, impulsado en gran medida por el aumento del costo de las materias primas para las baterías de iones de litio. [ 16 ] Además, el número de familias de patentes alcanzó el número de publicaciones no patentadas después de aproximadamente 2020, lo que generalmente significa que la tecnología alcanzó la etapa de comercialización. [ 18 ] [ 19 ]

Principio de funcionamiento

Las celdas SIB constan de un cátodo basado en un material a base de sodio, un ánodo (no necesariamente a base de sodio) y un electrolito líquido que contiene sales de sodio disociadas en disolventes polares próticos o apróticos . Durante la carga, los iones de sodio se mueven del cátodo al ánodo mientras que los electrones circulan por el circuito externo. Durante la descarga, ocurre el proceso inverso. [ 20 ]

Celdas de iones de sodio de 2,5 Ah

Materiales

Ilustración de las diversas estructuras de electrodos en baterías de iones de sodio.

Debido a las propiedades físicas y electroquímicas del sodio, las baterías de iones de sodio (SIB) requieren materiales diferentes a los utilizados para las baterías de iones de litio (LIB). [ 21 ]

Ánodos

Carbonos

Las SIB pueden usar carbono duro , un material de carbono desordenado que consiste en un carbono no grafitizable, no cristalino y amorfo. La capacidad del carbono duro para absorber sodio se descubrió en 2000. [ 22 ] Se demostró que este ánodo proporciona 300  mAh/g con un perfil de potencial inclinado por encima de ~0,15  V frente a Na/Na + . Representa aproximadamente la mitad de la capacidad y un perfil de potencial plano (una meseta de potencial) por debajo de ~0,15  V frente a Na/Na + . Estas capacidades son comparables a 300–360  mAh/g de ánodos de grafito en baterías de iones de litio . La primera celda de iones de sodio que usaba carbono duro se demostró en 2003 y mostró un  voltaje promedio de 3,7 V durante la descarga. [ 23 ] El carbono duro fue la opción preferida de Faradion debido a su excelente combinación de capacidad, potenciales de trabajo (más bajos) y estabilidad de ciclo. [ 24 ] Cabe destacar que los carbones duros dopados con nitrógeno muestran una capacidad específica aún mayor de 520  mAh/g a 20  mA/g con estabilidad durante más de 1000 ciclos. [ 25 ]

Avances recientes en ánodos de carbono duro

Estudios recientes se han centrado en modificar la microestructura y la química superficial del carbono duro para mejorar su rendimiento como material de ánodo para baterías de iones de sodio (SIBs). El carbono duro almacena sodio mediante una combinación de adsorción en sitios de defecto, intercalación entre capas de grafeno turbostrático y llenado de nanoporos con cúmulos de sodio. Su comportamiento electroquímico depende de la disposición de los dominios pseudografíticos y la distribución de poros abiertos y cerrados dentro de la matriz de carbono. [ 26 ]

Para lograr una alta capacidad y un rendimiento de carga rápida, los investigadores han explorado enfoques de ingeniería estructural como el aumento de la distancia entre capas y el ajuste de la estructura de poros. Se ha demostrado que el dopaje con nitrógeno y la activación de poros aumentan el espaciado entre capas y crean sitios activos adicionales para el almacenamiento de sodio, lo que mejora la capacidad de velocidad y la reversibilidad. [ 27 ] El control sobre el tamaño y la fracción de volumen de los poros cerrados afecta la formación de cúmulos de sodio, influyendo en la capacidad de meseta de bajo potencial y la estabilidad del ciclo. [ 28 ] [ 29 ]

Se ha informado que el carbono duro derivado de biomasa con dominios pseudografíticos optimizados y poros cerrados a medida alcanza una capacidad reversible de 280  mAh/g a 1  A/g, conservando más del 90 % de su capacidad después de 1000 ciclos. [ 28 ] Estos hallazgos indican que el diseño microestructural y el dopaje con heteroátomos son estrategias eficaces para mejorar el rendimiento de los ánodos de carbono duro en baterías de iones de sodio.

En 2015, los investigadores demostraron que el grafito podía co-intercalar sodio en electrolitos a base de éter.  Se obtuvieron capacidades bajas de alrededor de 100 mAh/g con potenciales de trabajo relativamente altos entre 0 y 1,2  V frente a Na/Na + . [ 30 ]

Una desventaja de los materiales carbonosos es que, debido a que sus potenciales de intercalación son bastante negativos, se limitan a sistemas no acuosos.

Las partículas de Janus de grafeno se han utilizado en baterías experimentales de iones de sodio para aumentar la densidad de energía . Un lado proporciona sitios de interacción, mientras que el otro proporciona separación entre capas. La densidad de energía alcanzó los 337 mAh/g. [ 31 ]

Se ha explorado el arseniuro de carbono (AsC 5 ) monocapa/bicapa como material de ánodo debido a su alta capacidad específica (794/596  mAh/g), baja expansión (1,2 %) y barrera de difusión ultrabaja (0,16/0,09  eV), lo que indica una capacidad de ciclo de carga/descarga rápida durante la intercalación de sodio. [ 32 ] Después de la adsorción de sodio, un ánodo de arseniuro de carbono mantiene la estabilidad estructural a 300  K, lo que indica una larga vida útil.

aleaciones metálicas

Numerosos informes describieron materiales de ánodo que almacenan sodio mediante reacción de aleación y/o reacción de conversión. [ 16 ] La aleación de sodio metálico aporta los beneficios de regular el transporte de iones de sodio y proteger la acumulación de campo eléctrico en la punta de las dendritas de sodio . [ 33 ] Wang, et al. informaron que una interfaz de aleación autorregulada de níquel-antimonio (NiSb) se depositó químicamente sobre el metal Na durante la descarga. Esta fina capa de NiSb regula el recubrimiento electroquímico uniforme del metal Na, reduciendo el sobrepotencial y ofreciendo un recubrimiento/disolución de metal Na sin dendritas durante más de 100 h a una alta capacidad superficial de 10 mAh cm −2 . [ 34 ]

Muchos metales y semimetales (Pb, P, Sn, Ge, etc.) forman aleaciones estables con sodio a temperatura ambiente. Desafortunadamente, la formación de dichas aleaciones suele ir acompañada de un gran cambio de volumen, lo que a su vez provoca la pulverización (desmoronamiento) del material después de unos pocos ciclos. Por ejemplo, con el estaño el sodio forma una aleación Na15 Sn4 , lo que equivale a una capacidad específica de 847 mAh/g, con un cambio de volumen enorme resultante de hasta el 420%. [ 35 ]

En un estudio, Li et al. prepararon sodio y estaño metálico Na15 Sn4 /Na a través de una reacción espontánea.Este ánodo podría operar a una alta temperatura de90°C (194°F)en un disolvente de carbonato a 1mA/cm2con una carga de 1mAh/cm2, y la celda completa exhibió un ciclo de carga-descarga estable durante 100 ciclos a una densidad de corriente de 2C.(2Csignifica que la carga o descarga completa se logró en 0,5horas). A pesar de la capacidad de la aleación de sodio para operar a temperaturas extremas y regular el crecimiento dendrítico, la severa tensión-deformación experimentada en el material durante el transcurso de ciclos de almacenamiento repetidos limita la estabilidad del ciclo, especialmente en celdas de gran formato.     

Investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio lograron 478  mAh/g con nanopartículas de magnesio , según se anunció en diciembre de 2020. [ 36 ]

En 2024, investigadores de la Universidad de Dalhousie mejoraron el rendimiento de las baterías de iones de sodio al reemplazar el carbono duro en el electrodo negativo con plomo (Pb) y nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Esta combinación aumentó significativamente la densidad de energía volumétrica y eliminó la pérdida de capacidad en las semiceldas. Los SWCNT mantuvieron la conectividad del material activo, lo que aumentó la capacidad a 475  mAh/g y redujo las pérdidas, en comparación con los 430 mAh/g de la celda de Pb sin SWCNT. [ 37 ]

Óxidos

Algunas fases de titanato de sodio , como Na 2 Ti 3 O 7 , [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] o NaTiO 2 , [ 41 ], proporcionaron capacidades de alrededor de 90–180 mAh/g a potenciales de trabajo bajos (<  1  V frente a Na/Na + ), aunque la estabilidad del ciclo se limitó a unos pocos cientos de ciclos.

disulfuro de molibdeno

En 2021, investigadores de China probaron la estructura en capas de MoS₂ como un nuevo tipo de ánodo para baterías de iones de sodio. Un proceso de disolución-recristalización ensambló densamente láminas de MoS₂ recubiertas con una capa de carbono sobre la superficie de nanotubos de carbono dopados con N derivados de poliimida . Este tipo de ánodo C- MoS₂ /NCNTs puede almacenar 348 mAh/g a 2 A/g, con una estabilidad de ciclo del 82 % de la capacidad después de 400 ciclos a 1 A/g. [ 42 ] El TiS₂ es otro material potencial para SIB debido a su estructura en capas, pero aún no ha superado el problema de la degradación de la capacidad, ya que el TiS₂ sufre de una cinética electroquímica deficiente y una estabilidad estructural relativamente débil. En 2021, investigadores de Ningbo, China , emplearon TiS2 prepotasiado , presentando una capacidad de velocidad de 165,9 mAh/g y una estabilidad de ciclo del 85,3 % de capacidad después de 500 ciclos. [ 43 ]   

Otros ánodos para Na +

Otros materiales, como el mercurio , los polímeros electroactivos y los derivados del tereftalato de sodio , [ 44 ] también se han demostrado en laboratorios, pero no provocaron interés comercial. [ 24 ]

cátodos

Las SIB pueden utilizar materiales más económicos en su construcción, como materiales catódicos generalmente más baratos como el manganeso y el hierro, y el uso de colectores de aluminio en lugar de los de cobre en las LIB . [ 45 ]

Óxidos

Muchos óxidos de metales de transición en capas pueden intercalar iones de sodio de forma reversible al reducirse. Convencionalmente, se entiende que esto ocurre a través de un cambio en el estado de oxidación de los cationes de metales de transición en la red del óxido. Sin embargo, en los últimos años, la comprensión de la inserción y extracción de sodio en estas redes ha cambiado, y ahora se reconoce que el redox aniónico juega un papel determinante en los cátodos de las baterías de iones de sodio, particularmente aquellos que contienen manganeso, que no cambia su estado de oxidación durante el ciclo. [ 46 ] Los óxidos de metales de transición sódicos suelen tener una mayor densidad aparente y una menor resistividad electrónica que otros materiales de cátodo (como los fosfatos). Debido a un mayor tamaño del ion Na + (116 pm) en comparación con el ion Li + (90 pm), la mezcla de cationes entre Na + e iones de metales de transición de la primera fila (que es común en el caso de Li+) generalmente no ocurre. Por lo tanto, los óxidos de hierro y manganeso de bajo costo pueden usarse para baterías de iones de sodio, mientras que las baterías de iones de litio requieren el uso de óxidos de cobalto y níquel más costosos. La desventaja del mayor tamaño del ion Na + es su cinética de intercalación más lenta en comparación con el ion Li + y la presencia de múltiples etapas de intercalación con diferentes voltajes y velocidades cinéticas. [ 4 ]

Un óxido de tipo P2 Na 2/3 Fe 1/2 Mn 1/2 O 2 proveniente de recursos de Fe y Mn abundantes en la Tierra puede almacenar reversiblemente 190 mAh/g a un voltaje de descarga promedio de 2,75 V vs Na/Na + utilizando el par redox Fe 3+/4+ , a la par o mejor que los cátodos de iones de litio comerciales como LiFePO 4 o LiMn 2 O 4 . [ 47 ] Sin embargo, su naturaleza deficiente en sodio redujo la densidad de energía. Se realizaron esfuerzos significativos para desarrollar óxidos más ricos en Na. Se demostró que un tipo mixto P3/P2/O3 Na 0.76 Mn 0.5 Ni 0.3 Fe 0.1 Mg 0.1 O 2 proporciona 140 mAh/g a un voltaje de descarga promedio de 3.2 V vs Na/Na + en 2015. [ 48 ] En particular, el óxido de tipo O3 NaNi 1/4 Na 1/6 Mn 2/12 Ti 4/12 Sn 1/12 O 2 puede proporcionar 160 mAh/g a un voltaje promedio de 3.22 V vs Na/Na + , [ 49 ] mientras que una serie de óxidos dopados a base de Ni de la estequiometría Na a Ni (1−x−y−z) Mn x Mg y Ti z O 2 puede proporcionar 157 mAh/g en una "celda completa" de iones de sodio con un ánodo de carbono duro a un voltaje de descarga promedio de 3.2 V utilizando el par redox Ni 2+/4+ . [ 50 ] Este rendimiento en configuración de celda completa es mejor o igual al de los sistemas comerciales de iones de litio. Un material de cátodo Na 0.67 Mn 1−x Mg x O 2 exhibió una capacidad de descarga de 175 mAh/g para Na 0.67 Mn 0.95 Mg 0.05 O 2 . Este cátodo contenía solo elementos abundantes. [ 51 ] Los materiales de cátodo Na 0.67 Ni 0.3−x Cu x Mn 0.7 O 2 sustituidos con cobre mostraron una alta capacidad reversible con mejor retención de capacidad. En contraste con el Na 0.67 Ni 0.3−x Cu x Mn 0.7 O 2 libre de cobreEn el electrodo, los cátodos sustituidos con Cu preparados ofrecen un mejor almacenamiento de sodio. Sin embargo, los cátodos con Cu son más caros. [ 52 ]

Oxoaniones

La investigación también ha considerado cátodos basados ​​en oxoaniones . Dichos cátodos ofrecen una menor densidad aparente, lo que reduce la densidad de energía en comparación con los óxidos. Por otro lado, un enlace covalente más fuerte del polianión impacta positivamente la vida útil del ciclo y la seguridad, y aumenta el voltaje de la celda. Entre los cátodos basados ​​en polianiones, el fosfato de sodio y vanadio [ 53 ] y el fluorofosfato [ 54 ] han demostrado una excelente estabilidad de ciclo y, en este último, una capacidad aceptablemente alta (⁓120 mAh/g) a altos voltajes de descarga promedio (⁓3,6 V vs Na/Na + ). [ 55 ] Además, el silicato de sodio y manganeso también ha demostrado ofrecer una capacidad muy alta (>200 mAh/g) con una estabilidad de ciclo decente. [ 56 ] Una empresa emergente francesa , TIAMAT, desarrolla baterías de iones Na + basadas en un material catódico de fosfato-fluoruro de sodio-vanadio Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , que experimenta dos transiciones reversibles de 0,5 e−/V: a 3,2 V y a 4,0 V. [ 57 ] Una empresa emergente de Singapur, SgNaPlus, está desarrollando y comercializando un material catódico Na3V2 ( PO4 ) 2F3 , que muestra una muy buena estabilidad de ciclo, utilizando un electrolito no inflamable a base de glicol. [ 58 ]

Azul de Prusia y sus análogos

Numerosos grupos de investigación estudiaron el uso del azul de Prusia y sus análogos (PBA) como cátodos para baterías de iones de sodio (Na +) . La fórmula ideal para un material descargado es Na₂M [Fe(CN) ₆ ], que corresponde a una capacidad teórica de aproximadamente 170 mAh/g, la cual se divide equitativamente entre dos mesetas de voltaje de un electrón. Estas altas cargas específicas rara vez se observan, y solo en muestras de PBA con un bajo número de defectos estructurales.

Por ejemplo, el Na₂MnFe(CN)₆ romboédrico patentado que muestra una capacidad de 150–160 mAh/g y un voltaje de descarga promedio de 3,4 V [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] y el Na₁ ,₈₈(5) Fe[Fe(CN) ₆ ]·0,18(9)H₂O blanco de Prusia romboédrico que muestra una capacidad inicial de 158 mAh/g y retiene el 90% de la capacidad después de 50 ciclos. [ 62 ]

Mientras que los PBA de Ti, Mn, Fe y Co muestran una electroquímica de dos electrones, el PBA de Ni muestra solo un electrón (el Ni no es electroquímicamente activo en el rango de voltaje accesible). También se conoce el PBA libre de hierro Na₂Mn II [ Mn II ( CN) ₆ ]. Tiene una capacidad reversible bastante grande de 209 mAh/g a C/5, pero su voltaje es desafortunadamente bajo (1,8 V frente a Na⁺ / Na). [ 4 ]

Orgánico

La bis-tetraaminobenzoquinona (TAQ), un material laminar sin metal, conductor, de baja brecha de energía y altamente insoluble, se utilizó como cátodo orgánico. Presentó una capacidad teórica de 355 mAh g–1. Los investigadores emplearon un proceso redox de cuatro electrones y lograron una densidad de energía a nivel de electrodo de 606 Wh kg–1 (90  % en peso de material activo) con una excelente estabilidad de ciclado. La formación del material en presencia de tan solo un 2 % en peso de nanotubos de carbono  funcionalizados con carboxilo mejoró el transporte de carga y la cinética. La densidad de energía del cátodo alcanzó los 472 Wh kg–1 al cargarse/descargarse en 90 s con una potencia específica de 31,6 kW kg–1. [ 63 ] [ 64 ] 

Electrolitos

Las baterías de iones de sodio pueden usar electrolitos acuosos y no acuosos. La limitada ventana de estabilidad electroquímica del agua resulta en voltajes más bajos y densidades de energía limitadas. Los disolventes polares apróticos de ésteres de carbonato no acuosos extienden el rango de voltaje. Estos incluyen carbonato de etileno , carbonato de dimetilo , carbonato de dietilo y carbonato de propileno . Las sales más utilizadas en electrolitos no acuosos son NaClO₄ y hexafluorofosfato de sodio (NaPF₆ ) disueltos en una mezcla de estos disolventes. Es un hecho bien establecido que estos electrolitos a base de carbonato son inflamables, lo que plantea problemas de seguridad en aplicaciones a gran escala. Se ha demostrado que un tipo de electrolito a base de glicol , con tetrafluoroborato de sodio como sal, no es inflamable. [ 65 ] Además, los aniones NaTFSI (TFSI = bis(trifluorometano)sulfonimida) y NaFSI (FSI = bis(fluorosulfonil)imida), NaDFOB (DFOB = difluoro(oxalato)borato) y NaBOB (bis(oxalato)borato) han surgido recientemente como nuevas sales interesantes. También se pueden utilizar aditivos electrolíticos para mejorar los parámetros de rendimiento. [ 66 ]

Baterías acuosas de iones de sodio

Las baterías acuosas de iones de sodio (ASIB) han ganado una atención significativa en el almacenamiento y conversión de energía porque ofrecen alta seguridad, bajo costo y compatibilidad ambiental mejorada. [ 67 ] Los cátodos representan la principal limitación en el rendimiento de las ASIB. Los materiales de tipo intercalación ofrecen solo un número finito de sitios de almacenamiento de Na + , lo que limita el grado en que se puede mejorar su capacidad específica. [ 68 ] Los óxidos de sodio y metales de transición (NaxMO 2 ) se encuentran entre los cátodos de ASIB más estudiados debido a sus estructuras abiertas, estabilidad electroquímica, alto voltaje de trabajo y menor costo en comparación con los análogos de litio (75). Sus propiedades se pueden ajustar variando el contenido de Na, produciendo óxidos en capas (x < 0,5) y óxidos de túnel (x > 0,5). Los óxidos de tipo P2 y O3 en capas ofrecen altas capacidades y rápida difusión de Na + (76), ilustrado por P2-Na2 / 3Ni1 / 3Mn2 / 3O2 que entrega 157 mAh / g en electrolito de Na2SO4 ( 70) y P2-Na2 / 3Ni1 / 4Mn3 / 4O2 que alcanza un voltaje de celda completa de 1,2 V cuando se combina con NTP/grafito en un electrolito híbrido de Na2SO4 /Li2SO4. [69] Sin embargo , las fases P2 experimentan transiciones P2 → O2 a bajo contenido de Na, mientras que las fases O3 como NaMnO2 sufren inestabilidad de aire/humedad; [ 70 ] sustitución de heteroátomos , como el dopaje de Cu/ Ti en NaNi0.45Mn0 . 5 O 2 , mejora significativamente la estabilidad al aire y el rendimiento del ciclo. Los óxidos de túnel como Na 0 . 44 MnO 2 permiten un transporte rápido de Na + y un excelente ciclo, logrando capacidades estables en electrolitos de Na 2 SO 4 y NaOH, y su rendimiento puede mejorarse mediante la sustitución de Ti y composiciones ricas en Na o incluso extenderse a análogos basados ​​en potasio como K 0 . 27 MnO 2 . [ 71 ] [ 72 ]Los análogos de azul de Prusia (PBA), con su estructura 3D abierta, cinética rápida y síntesis sencilla, ofrecen capacidades de hasta ~80 mAh/g, y algunos PBA de dos electrones alcanzan capacidades teóricas de 170 mAh/g; la reducción de defectos y la adición de Co 2+ pueden mejorar en gran medida la estabilidad y la retención de capacidad. [ 73 ] [ 74 ] Los compuestos polianiónicos, incluidos los fosfatos, los fluorofosfatos y los materiales de tipo NASICON, proporcionan estructuras anfitrionas 3D estables y operación de alto voltaje, aunque a menudo enfrentan problemas de resistencia interfacial y disolución de metales de transición. [ 75 ] Las mejoras a través del recubrimiento de carbono y la sustitución de metales han permitido que materiales como NaFePO 4 alcancen altas capacidades reversibles y un rendimiento favorable a altas temperaturas, mientras que los fluorofosfatos como Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 -SWCNT ofrecen voltajes de trabajo más altos. Los avances recientes en estructuras mixtas de fosfato-pirofosfato, como Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 , han demostrado una alta densidad de potencia, una larga vida útil y un funcionamiento a baja temperatura. [ 76 ] [ 77 ] El grafito generalmente no se utiliza como ánodo en ASIB, ya que los compuestos NaxC que forma son termodinámicamente inestables. Esta inestabilidad conduce a una baja capacidad reversible y un potencial de reacción desfavorable. [ 78 ] El carbón activado (AC) es un material de carbono estructuralmente simple y fácil de fabricar que se puede combinar con cátodos adecuados para formar sistemas híbridos asimétricos de condensador-batería. Por ejemplo, un supercondensador Na 4 Mn 9 O 18 //Na 2 SO 4 /AC alcanzó una densidad de energía de 34,8 Wh/kg y exhibió una excelente estabilidad de ciclado, reteniendo el 84 % de su capacidad después de 4000 ciclos a 18 C. [ 79 ] Además, otros materiales a base de carbono, como microesferas de carbono y fibras de carbono, también se han explorado como ánodos potenciales para el almacenamiento de sodio. Sin embargo, muchos materiales de carbono aún enfrentan desafíos que incluyen una baja eficiencia coulómbica inicial y una cinética de intercalación de Na + lenta . La nanoingeniería ofrece soluciones efectivas a estas limitaciones al acortar las vías de difusión de Na + y electrones, crear arquitecturas reticulares que mejoran la robustez mecánica y amortiguan los cambios de volumen durante el ciclado, y aumentar el área superficial y los sitios activos.[ 79 ] Estas ventajas estructurales hacen que la ingeniería a nanoescala sea una estrategia esencial para mejorar el rendimiento electroquímico de los ánodos a base de carbono en las ASIB.

Comparación

Las baterías de iones de sodio tienen varias ventajas sobre las tecnologías de baterías de la competencia. En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio tienen un costo algo menor, mejores características de seguridad (para las versiones acuosas) y características de suministro de energía similares, pero también una menor densidad de energía (especialmente las versiones acuosas). [ 80 ] La eficiencia de ida y vuelta es prácticamente igual, pero es menor para los iones de sodio con un estado de carga (SOC) bajo. [ 81 ]

La mesaA continuación se compara el rendimiento de las baterías de iones de sodio (NIB) en general con las tres tecnologías de baterías recargables establecidas actualmente en el mercado: la batería de iones de litio de níquel-manganeso-cobalto (NMC), la batería de fosfato de hierro y litio (LFP) y la batería recargable de plomo-ácido . [ 50 ] [ 82 ]

Investigación y desarrollo recientes

Universidad de Chicago/UC San Diego

En julio de 2024, la Universidad de Chicago y la UC San Diego desarrollaron una batería de sodio de estado sólido sin ánodo que, según afirmaron, era más barata, más segura, de carga rápida y de alta capacidad. [ 100 ]

Centro Jawaharlal Nehru para la Investigación Científica Avanzada (JNCASR)

Un equipo de investigación del Centro Jawaharlal Nehru para la Investigación Científica Avanzada (JNCASR), un instituto autónomo indio del Departamento de Ciencia y Tecnología (DST), ha desarrollado una batería de iones de sodio (SIB) de carga ultrarrápida basada en un material de cátodo y ánodo de tipo NASICON, que puede cargarse hasta el 80 % en solo seis minutos y durar más de 3000 ciclos de carga. [ 101 ]

Comercialización y precios

Empresas de todo el mundo desarrollan baterías de iones de sodio comercialmente viables, principalmente en China. [ 102 ] En 2023 se instaló en China una batería de red de 5 MW/10 MWh con una duración de 2 horas. [ 103 ] Para 2025, los paquetes de baterías de iones de sodio seguían siendo un 30 % más caros que los de fosfato de hierro y litio (LFP) debido a la miniaturización. [ 84 ]

Un informe de 2025 de la Agencia Internacional de Energías Renovables ( IRENA ) sugirió que los costos de las celdas de baterías de iones de sodio podrían bajar a $40/kWh, mientras que los de LFP cayeron hasta $70/kWh. [ 104 ]

El fabricante de sistemas de almacenamiento de energía Pylontech obtuvo en 2023 el primer certificado de batería de iones de sodio (para uso comercial seguro) de TÜV Rheinland . [ 105 ] [ 106 ]

Altech

La empresa australiana Altech está construyendo una planta de 120 MWh en Alemania. [ 107 ]

Altris AB

Altris AB fue fundada por el profesor asociado Reza Younesi, su antiguo estudiante de doctorado, Ronnie Mogensen, y el profesor asociado William Brant como una empresa derivada de la Universidad de Uppsala , Suecia, [ 108 ] lanzada en 2017 como parte de los esfuerzos de investigación del equipo sobre baterías de iones de sodio. La investigación se llevó a cabo en el Centro Avanzado de Baterías Ångström dirigido por la profesora Kristina Edström en la Universidad de Uppsala . La empresa ofrece un análogo patentado de azul de Prusia a base de hierro para el electrodo positivo en baterías de iones de sodio no acuosas que utilizan carbono duro como ánodo. [ 109 ] Altris posee patentes sobre electrolitos no inflamables sin flúor que consisten en NaBOB en disolventes de alquilfosfato, cátodo blanco de Prusia y producción de celdas. Clarios se ha asociado para producir baterías utilizando la tecnología de Altris. [ 110 ]

BASF/Mercedes

Alemania invirtió 1,3 millones de euros en un proyecto de iones de sodio con BASF y Mercedes-Benz. [ 107 ]

BYD

En 2023, BYD invirtió 1.400 millones de dólares estadounidenses en la construcción de una planta de baterías de iones de sodio en Xuzhou con una producción anual de 30 GWh. [ 111 ]

CATL

El fabricante chino de baterías CATL anunció en 2021 que lanzaría al mercado una batería de iones de sodio para 2023. [ 112 ] Utiliza un análogo de azul de Prusia para el electrodo positivo y carbono poroso para el electrodo negativo. Afirmaron una densidad de energía específica de 160 Wh/kg en su batería de primera generación. [ 90 ] CATL , el mayor fabricante mundial de baterías de iones de litio, anunció en 2022 el inicio de la producción en masa de SIB. Chery Automobile se convirtió en su primer cliente en 2023.

En 2024, CATL presentó el paquete de baterías de química híbrida Freevoy para su uso en vehículos híbridos, con una combinación de celdas de iones de sodio e iones de litio. Este paquete de baterías ofrece una autonomía prevista de más de 400 kilómetros (250 millas) , capacidad de carga rápida 4C, la posibilidad de descargarse a -40 °C (-40 °F) y no afecta a la experiencia de conducción a -20 °C (-4 °F) . Para 2025, se prevé que alrededor de 30 modelos diferentes de vehículos híbridos estén equipados con este paquete. [ 113 ]     

En abril de 2025, CATL lanzó su marca de baterías de iones de sodio Naxtra, con producción en masa prevista para diciembre. Según CATL, la densidad energética es de 175 Wh/kg, acercándose a la del fosfato de hierro y litio (LFP) a 185 Wh/kg. Admite carga 5C y más de 10 000 ciclos de carga, lo que corresponde a unos 5,8 millones de km, en comparación con los 4500 ciclos de las mejores baterías LFP. También funciona bien en frío extremo, manteniendo el 93 % de su capacidad a −30  °C y soportando velocidades de autopista con bajos niveles de carga. CATL afirmó que la batería superó rigurosas pruebas de seguridad (p. ej., compresión, penetración) sin riesgos de incendio o explosión. [ 114 ] En septiembre de 2025, la batería de iones de sodio Naxtra superó la nueva certificación del estándar nacional de China (GB 38031-2025), validando su capacidad de carga rápida de 15 minutos y su seguridad en temperaturas extremas para la futura integración en vehículos eléctricos. [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]

Faradion Limited

Una batería de iones de sodio Faradion fabricada en 2022.

Faradion Limited es una subsidiaria de Reliance Industries de la India . [ 120 ] Su diseño de celda utiliza cátodos de óxido con ánodo de carbono duro y un electrolito líquido. Sus celdas tipo bolsa tienen densidades de energía comparables a las baterías de iones de litio comerciales (160 Wh/kg a nivel de celda), con un buen rendimiento de tasa hasta 3C y vidas útiles de 300 (100% de profundidad de descarga ) a más de 1000 ciclos (80% de profundidad de descarga). Sus paquetes de baterías han demostrado su uso para aplicaciones de bicicletas y patinetes eléctricos. [ 50 ] Demostraron el transporte de celdas de iones de sodio en estado de cortocircuito (a 0 V), eliminando los riesgos del transporte comercial de dichas celdas. [ 121 ] Está asociada con AMTE Power plc [ 122 ] (anteriormente conocida como AGM Batteries Limited). [ 123 ] [ 124 ] [ 24 ] [ 125 ]

En noviembre de 2019, Faradion fue coautor de un informe con Bridge India [ 126 ] titulado 'El futuro del transporte limpio: baterías de iones de sodio' [ 127 ] que analiza el papel cada vez más importante que India puede desempeñar en la fabricación de baterías de iones de sodio.

El 5 de diciembre de 2022, Faradion instaló su primera batería de iones de sodio para Nation en Nueva Gales del Sur, Australia. [ 128 ]

Energía Farasis

El JMEV EV3 (Youth Edition) de Farasis Energy produjo el primer vehículo eléctrico de la clase A00 de producción en serie equipado con baterías de iones de sodio, con una  autonomía de 251 km. [ 129 ]

Libre

La empresa estonia Freen lanzó una batería residencial de iones de sodio de 10 kWh para la integración de energía solar y eólica. [ 107 ]

Empresa de tecnología de baterías HiNA

HiNa Battery Technology Co., Ltd es una empresa derivada de la Academia China de Ciencias (CAS). Aprovecha la investigación realizada por el grupo del Prof. Hu Yong-sheng en el Instituto de Física de la CAS. Las baterías de HiNa se basan en cátodos de óxido a base de Na-Fe-Mn-Cu y ánodo de carbono a base de antracita . En febrero de 2023, la empresa china HiNA instaló por primera vez una batería de iones de sodio de 140 Wh/kg en un coche eléctrico de prueba, el Sehol E10X . [ 130 ] HiNa también presentó tres productos de iones de sodio: la celda cilíndrica NaCR32140-ME12, la celda cuadrada NaCP50160118-ME80 y la celda cuadrada NaCP73174207-ME240, con densidades de energía gravimétricas de 140 Wh/kg, 145 Wh/kg y 155 Wh/kg respectivamente. [ 131 ] Se informó que la vida útil de la batería de Hina era de 4500 ciclos en 2022. Los objetivos de la empresa eran aumentar la energía específica a 180-200 Wh/kg y la vida útil a 8000-10000 ciclos. CATL y BYD también hicieron declaraciones similares por esas mismas fechas. [ 132 ]

En 2019, se informó que HiNa instaló un sistema de almacenamiento de energía de baterías de iones de sodio de 100 kWh en el este de China. [ 133 ]

El fabricante de automóviles chino Yiwei presentó el primer automóvil con batería de iones de sodio en 2023. Utiliza la tecnología de módulos UE de JAC Group, que es similar al diseño de celda a paquete de CATL. [ 134 ] El automóvil tiene un paquete de baterías de 23,2 kWh con una autonomía CLTC de 230 kilómetros (140 millas) . [ 135 ] 

KPIT

En diciembre de 2023, KPIT Technologies presentó la primera tecnología de baterías de iones de sodio de la India, lo que marcó un avance significativo en el país. Se prevé que esta tecnología de reciente desarrollo reduzca el costo de las baterías para vehículos eléctricos entre un 25 % y un 30 %. Ha sido desarrollada en cooperación con el Instituto Indio de Educación e Investigación Científica de Pune durante casi una década y afirma ofrecer varias ventajas notables sobre las alternativas existentes, como las de plomo-ácido y de iones de litio. Entre sus características más destacadas se encuentran una vida útil más larga de 3000 a 6000 ciclos, una carga más rápida que las baterías tradicionales, una mayor resistencia a temperaturas bajo cero y densidades de energía variables entre 100 y 170 Wh/kg. [ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] KPIT Technologies y Trentar Energy Solutions comercializarán la tecnología patentada de baterías de iones de sodio de KPIT; Trentar está invirtiendo en una planta de fabricación de 3 GWh para producir estas baterías. [ 139 ]

SgNaPlus

SgNaPlus Pte. Ltd. es una empresa derivada fundada por el profesor asociado Palani Balaya. Su objetivo es comercializar baterías de iones de sodio novedosas, no inflamables y de alta fiabilidad, utilizando diseños creados por el Laboratorio de Sistemas de Energía Alternativa de la Facultad de Diseño e Ingeniería de la Universidad Nacional de Singapur . [ 140 ] SgNaPlus también posee los derechos de patente de baterías de iones de sodio no inflamables.

TIAMAT

TIAMAT surgió del CNRS / CEA y de un proyecto europeo H2020 llamado NAIADES. [ 141 ] Su tecnología se centra en el desarrollo de celdas cilíndricas de formato 18650 basadas en materiales polianiónicos. Logró una densidad de energía de entre 100 Wh/kg y 120 Wh/kg. La tecnología apunta a aplicaciones en los mercados de carga y descarga rápida. La densidad de potencia está entre 2 y 5  kW/kg, lo que permite un tiempo de carga de 5 minutos. La vida útil es de más de 5000 ciclos al 80 % de la capacidad. [ 142 ] [ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]

Son responsables de uno de los primeros productos comercializados que utilizan tecnología de baterías de iones de sodio, a partir de octubre de 2023, mediante la comercialización de un destornillador eléctrico. [ 146 ]

Energía de recarga

Ión de sodio de la celda tipo bolsa
Batería de iones de sodio tipo bolsa de 10 Ah de Rechargion

Rechargion Energy [ 7 ] [ 8 ] ha desarrollado celdas con capacidad de 10 Ah y ha logrado una vida útil de 10 000 ciclos. Las celdas fueron validadas por la Asociación de Investigación Automotriz de la India (ARAI) para cumplir con los estándares de seguridad IEC62660 después de rigurosas pruebas. [ 147 ]

Otros

En 2025, MOLL Batterien obtuvo 22 millones de euros en financiación para su planta de fabricación de baterías de iones de sodio en Alemania. [ 148 ]

Anterior

Otras empresas adquirieron parte de la operación.

Voltaje norte

Northvolt , el único gran fabricante europeo de baterías eléctricas de fabricación nacional, anunció un avance revolucionario en el desarrollo de baterías de iones de sodio. Según Northvolt, su nueva batería, con una densidad energética superior a 160 vatios-hora por kilogramo, fue diseñada para plantas de almacenamiento de electricidad, pero podría utilizarse en el futuro en vehículos eléctricos, como patinetes eléctricos. [ 5 ] La empresa se declaró en quiebra en noviembre de 2024. [ 149 ]

Energía Natron

Natron Energy , una empresa derivada de la Universidad de Stanford , utiliza análogos de azul de Prusia tanto para el cátodo como para el ánodo con un electrolito acuoso. [ 150 ] Clarios se ha asociado para producir una batería utilizando la tecnología de Natron. [ 151 ] Natron inauguró una planta de 40 millones de dólares en Michigan en abril de 2024, con el objetivo de alcanzar una tasa de producción anual de 600 MW para finales de 2025. Se planeó una fábrica de 1400 millones de dólares en Carolina del Norte para aumentar la producción 40 veces. [ 152 ] Natron Energy cesó todas sus operaciones el 3 de septiembre de 2025, alegando dificultades de financiación y problemas con la comercialización.

baterías recargables de metal de sodio

Tipos: [ 153 ]

Vehículos eléctricos

CATL trabaja con Li Auto , que desarrolla, fabrica y vende vehículos eléctricos inteligentes de alta gama, e integrará estas baterías de iones de sodio de carga rápida en los próximos modelos de vehículos eléctricos. [ 117 ]

A principios de 2026, CATL y el fabricante chino de vehículos eléctricos Changan Automobile planean lanzar a mediados de 2026 un vehículo eléctrico con batería de iones de sodio, el Changan Nevo A06 . Se espera que la densidad de potencia de la batería sea comparable a la de las baterías LFP contemporáneas . [ 154 ] El Nevo A06 incorpora inicialmente una batería de iones de sodio de 45 kWh (Naxtra). [ 155 ]

BAIC Group anunció una actualización de su batería de iones de sodio en marzo de 2026. La batería puede recorrer 450 km con una sola carga en condiciones de prueba CLTC. Lo que la distingue es la velocidad de carga: utiliza carga ultrarrápida 4C y se vacía por completo en aproximadamente 11 minutos [ 156 ].

Véase también

Notas

  1. ↑ El número de ciclos de carga y descarga que soporta una batería depende de varios factores, como la profundidad de descarga, la velocidad de descarga, la velocidad de carga y la temperatura. Los valores que se muestran aquí reflejan condiciones generalmente favorables.
  2. ↑ Consulte la sección sobre seguridad de las baterías de iones de litio.
  3. ↑ La temperatura afecta el comportamiento de carga, la capacidad y la vida útil de la batería, y lo hace de manera diferente en cada caso, dentro de distintos rangos de temperatura. Los valores que se muestran aquí son rangos generales para el funcionamiento de la batería.

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Lecturas adicionales

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  • Wu, Billy (3 de enero de 2024). Baterías de iones de sodio: ¿el futuro de bajo costo del almacenamiento de energía? (Podcast) . Recuperado el 5 de enero de 2024 .