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Batería de ion de sodio

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La batería de ion de sodio o batería de sodio-ion es un tipo de batería recargable que utiliza iones de sodio (Na+) como portadores de carga eléctrica. Su principio de funcionamiento y la construcción de sus celdas son casi idénticos a los de la batería de ion de litio, pero sustituyendo el litio por sodio. Las baterías de ion de sodio recibieron interés académico y comercial en las décadas de 2010 y 2020, debido en gran parte a la desigual distribución geográfica, el elevado impacto ambiental y el alto coste de muchos de los materiales necesarios para las baterías de iones de litio. Entre ellos destacan el litio, el cobalto, el cobre y el níquel, que no son estrictamente necesarios para muchos tipos de baterías de iones de sodio.[1]​ La mayor ventaja de las baterías de iones de sodio es la abundancia de sodio en la naturaleza.[2]​ Los retos para la adopción de las baterías de ion de sodio incluyen la baja densidad energética y los insuficientes ciclos de carga-descarga.[3]​

Ion sodio (batería)
Baterías de ion sodio

CATL comenzará la producción de la segunda generación de sus baterías de sodio en 2025.[4]​ Hasta 2022, las baterías de iones de sodio no habían adquirido importancia comercial, pero esto cambió gracias a CATL, el mayor fabricante de baterías del mundo, por la producción en masa de la primera generación de baterías de iones de sodio en 2023.

La tecnología no se menciona en un informe de la Administración de Información Energética de Estados Unidos sobre tecnologías de almacenamiento en baterías.[5]​

En febrero de 2023, la empresa china HiNa Battery Technology Co., Ltd. colocó por primera vez una batería de iones de sodio de 120 Wh/kg en un coche eléctrico de pruebas.[6]​ También en 2023, el fabricante de acumuladores de energía Pylontech obtuvo el primer certificado de batería de iones de sodio por TÜV Rheinland.[7]​

Historia

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El desarrollo de las baterías de iones de sodio tuvo lugar en los años setenta y principios de los ochenta. Sin embargo, en la década de 1990, las baterías de iones de litio habían demostrado ser más prometedoras comercialmente, lo que provocó un declive del interés por las baterías de iones de sodio.[8]​[9]​ A principios de la década de 2010, las baterías de ion-sodio experimentaron un resurgimiento, impulsado en gran medida por el aumento del coste de las materias primas de las baterías de iones de litio.[8]​

Principio de funcionamiento

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Las baterías de iones de sodio constan de un cátodo basado en un material que contiene sodio, un ánodo (no necesariamente contiene 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 desplazan del cátodo al ánodo, mientras que los electrones viajan por el circuito externo. Durante la descarga, se produce el proceso inverso.

Comparación

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Las baterías de iones de sodio tienen varias ventajas sobre las tecnologías de baterías con las que compite. En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio tienen un coste algo inferior, una densidad energética ligeramente inferior, mejores características de seguridad y características similares de suministro de energía.

En la tabla siguiente se compara la situación general de las baterías de iones de sodio frente a las dos tecnologías de baterías recargables establecidas actualmente en el mercado: la batería de iones de litio y la batería de plomo y ácido recargable.[10]​[11]​

Comparación de baterías
Batería de ion de sodio Batería de ion de litio Batería de plomo y ácido
Coste por kWh de capacidad (dólares) 40–77 $[1]​ 137 $ (media en 2020)[12]​ 100–300 $[13]​
Densidad de energía volumétrica 250–375 W·h/L, basado en prototipos[14]​ 200–683 W·h/L[15]​ 80–90 W·h/L[16]​
Energía específica 75–165 W·h/kg, basada en prototipos y anuncios de productos[14]​[17]​ 120–260 W·h/kg[15]​ 35–40 Wh/kg[16]​
Ciclos al 80% de profundidad de descarga[18]​ Entre cientos y miles[19]​ 3.500[13]​ 900[13]​
Seguridad Riesgo bajo para baterías acuosas, riesgo alto para baterías de sodio en carbono. Riesgo alto Riesgo moderado
Materiales Abundante Escaso Tóxico
Estabilidad del ciclo Alta (autodescarga insignificante) Alta (autodescarga insignificante) Moderada (alta autodescarga)
Eficiencia de ida y vuelta en corriente continua Hasta el 92 %[19]​ 85–95 %[20]​ 70–90 %[21]​
Rango de temperatura[22]​ −20 °C a 60 °C[19]​ Aceptable:−20 °C a 60 °C.

Óptima: 15 °C a 35 °C[23]​

−20 °C a 60 °C[24]​

Comercialización

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Vehículos eléctricos

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El Farasis Energy’s JMEV EV3 (Youth Edition) es el primer coche eléctrico equipado con baterías de sodio (sodio-ion). Ofrece una autonomía de 251 km. [25]​

Dongfeng ha revelado el Nammi 01 EV, que lleva baterías de sodio de estado solido.[26]​

Faradion Limited

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Faradion Limited, es una filial de la india Reliance Industries.[27]​ El diseño de sus células utiliza cátodos de óxido con ánodos de carbono duro y un electrolito líquido. Sus celdas tienen una densidad energética comparable a las de las baterías de iones de litio comerciales (160 Wh/kg a nivel de celda) con un buen rendimiento de hasta 3C y ciclos de vida 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 en aplicaciones de bicicletas y scooters eléctricas.[10]​ Han demostrado que pueden transportar pilas de iones de sodio en cortocircuito (a 0 V), lo que elimina los riesgos del transporte comercial de este tipo de pilas.[28]​ Se ha asociado con AMTE Power plc[29]​ (antes conocida como AGM Batteries Limited).[30]​[31]​[32]​[33]​

El 5 de diciembre de 2022, Faradion instaló su primera batería de iones de sodio para Nation en Nueva Gales del Sur, Australia.[34]​

TIAMAT

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TIAMAT surgió del CNRS/CEA y de un proyecto H2020 de la UE llamado NAIADES.[35]​ Su tecnología se centra en el desarrollo de pilas cilíndricas de formato 18650 basadas en materiales polianiónicos. Consigue una densidad energética de entre 100 Wh/kg y 120 Wh/kg. La tecnología está destinada a aplicaciones en los mercados de carga y descarga rápidas. La densidad energética se sitúa 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 hasta el 80 % de la capacidad[36]​[37]​[38]​[39]​

HiNA Battery Technology Company

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HiNa Battery Technology Co., Ltd es una empresa derivada de la Academia China de Ciencias (CAS). Aprovecha la investigación realizada por el grupo del profesor Hu Yong-sheng en el Instituto de Física de la CAS. Las baterías de HiNa se basan en cátodos de óxido de Na-Fe-Mn-Cu y ánodos de carbono con antracita. En 2023, HiNa se asoció con JAC como la primera empresa en poner una batería de iones de sodio en un coche eléctrico, el Sehol E10X. HiNa también reveló tres productos de iones de sodio, la celda cilíndrica NaCR32140-ME12, la celda cuadrada NaCP50160118-ME80 y la celda cuadrada NaCP73174207-ME240, con densidades gravimétricas de energía de 140 Wh/kg, 145 Wh/kg y 155 Wh/kg respectivamente.[40]​ En 2019, se informó de que HiNa instaló un banco de energía de baterías de iones de sodio de 100 kWh en China oriental.[41]​

Natron Energy

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Natron Energy, una empresa derivada de la Universidad de Stanford, utiliza análogos del azul de Prusia tanto para el cátodo como para el ánodo con un electrolito acuoso.[42]​

Altris AB

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Altris AB es una empresa derivada del Centro de Baterías Avanzadas Ångström, dirigido por la profesora Kristina Edström en la Universidad de Uppsala. La empresa ofrece un análogo patentado del azul de Prusia a base de hierro para el electrodo positivo de las baterías de iones de sodio no acuosas que utilizan carbono duro como ánodo.[43]​

CATL

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El fabricante chino de baterías CATL anunció en 2021 que sacaría al mercado una batería basada en iones de sodio para 2023.[44]​

Utiliza un análogo del azul de Prusia para el electrodo positivo y carbono poroso para el negativo. En su batería de primera generación afirmaban tener una densidad de energía específica de 160 Wh/kg.[17]​ La empresa tiene previsto fabricar un paquete de baterías híbrido que incluya celdas de iones de sodio y de iones de litio.[45]​

Baterías recargables de sodio

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Los tipos son:[46]​

Véase también

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Referencias

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  1. ↑ a b Peters, Jens F.; Peña Cruz, Alexandra; Weil, Marcel (2019). «Exploring the Economic Potential of Sodium-Ion Batteries». Batteries (en inglés) 5 (1): 10. doi:10.3390/batteries5010010. 
  2. ↑ Abraham, K. M. (2020). «How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?». ACS Energy Letters 5 (11): 3544-3547. doi:10.1021/acsenergylett.0c02181. 
  3. ↑ Marc Walter; Maksym V. Kovalenko; Kostiantyn V. Kravchyk (2020). «Challenges and benefits of post-lithium-ion batteries». New Journal of Chemistry 44 (5): 1678. doi:10.1039/C9NJ05682C. 
  4. ↑ Noya, Carlos (19 de noviembre de 2024). «Más baratas que las LFP, CATL comenzará la producción de la segunda generación de sus baterías de sodio en 2025». FCE. Consultado el 19 de noviembre de 2024. 
  5. ↑ U.S. Department of Energy. «Battery Storage in the United States: An Update on Market Trends». U.S. Energy Information Administration. p. 13. Consultado el 13 de marzo de 2021. 
  6. ↑ Hina Battery becomes 1st battery maker to put sodium-ion batteries in EVs in China, CnEVPost, 23 February 2023
  7. ↑ https://batteriesnews.com/pylontech-obtains-worlds-first-sodium-ion-battery-certificate-tuv-rheinland/
  8. ↑ a b Sun, Yang-Kook; Myung, Seung-Taek; Hwang, Jang-Yeon (19 de junio de 2017). «Sodium-ion batteries: present and future». Chemical Society Reviews 46 (12): 3529-3614. ISSN 1460-4744. PMID 28349134. doi:10.1039/C6CS00776G. 
  9. ↑ Yabuuchi, Naoaki; Kubota, Kei; Dahbi, Mouad; Komaba, Shinichi (10 de diciembre de 2014). «Research Development on Sodium-Ion Batteries». Chemical Reviews 114 (23): 11636-11682. ISSN 0009-2665. PMID 25390643. doi:10.1021/cr500192f. 
  10. ↑ a b Bauer, Alexander; Song, Jie; Vail, Sean; Pan, Wei; Barker, Jerry; Lu, Yuhao (2018). «The Scale-up and Commercialization of Nonaqueous Na-Ion Battery Technologies». Advanced Energy Materials 8 (17): 1702869. ISSN 1614-6840. doi:10.1002/aenm.201702869. 
  11. ↑ Yang, Zhenguo; Zhang, Jianlu; Kintner-Meyer, Michael C. W.; Lu, Xiaochuan; Choi, Daiwon; Lemmon, John P.; Liu, Jun (11 de mayo de 2011). «Electrochemical Energy Storage for Green Grid». Chemical Reviews 111 (5): 3577-3613. ISSN 0009-2665. PMID 21375330. S2CID 206894534. doi:10.1021/cr100290v. 
  12. ↑ «Battery Pack Prices Cited Below $100/kWh for the First Time in 2020, While Market Average Sits at $137/kWh». Bloomberg NEF. 16 de diciembre de 2020. Consultado el 15 de marzo de 2021. 
  13. ↑ a b c Mongird K, Fotedar V, Viswanathan V, Koritarov V, Balducci P, Hadjerioua B, Alam J (July 2019), Energy Storage Technology and Cost Characterization Report (pdf), U.S. Department Of Energy, p. iix, consultado el 15 de marzo de 2021 .
  14. ↑ a b Abraham, K. M. (23 de octubre de 2020). «How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?». ACS Energy Letters (pdf) (American Chemical Society) 5 (11): 3546. doi:10.1021/acsenergylett.0c02181. 
  15. ↑ a b Automotive Li-Ion Batteries: Current Status and Future Perspectives, U.S. Department Of Energy, 1 de enero de 2019, p. 26, consultado el 15 de marzo de 2021 .
  16. ↑ a b May, Geoffrey J.; Davidson, Alistair; Monahov, Boris (1 de febrero de 2018). «Lead batteries for utility energy storage: A review». Journal of Energy Storage (en inglés) 15: 145-157. ISSN 2352-152X. doi:10.1016/j.est.2017.11.008. 
  17. ↑ a b «CATL Unveils Its Latest Breakthrough Technology by Releasing Its First Generation of Sodium-ion Batteries». www.catl.com. Consultado el 29 de julio de 2021. 
  18. ↑ El número de ciclos de carga-descarga que soporta una batería depende de múltiples consideraciones, como la profundidad de descarga, la velocidad de descarga, la velocidad de carga y la temperatura. Los valores mostrados aquí reflejan condiciones generalmente favorables.
  19. ↑ a b c «Performance». Faradion Limited. Consultado el 17 de marzo de 2021. «The (round trip) energy efficiency of sodium-ion batteries is 92% at a discharge time of 5 hours.» 
  20. ↑ Lithium Ion Battery Test - Public Report 5 (pdf), ITP Renewables, September 2018, p. 13, consultado el 17 de marzo de 2021, «The data shows all technologies delivering between 85–95% DC round-trip efficiency.» .
  21. ↑ «"Battery Storage Technologies for Electrical Applications: Impact in Stand-Alone Photovoltaic Systems"» (pdf). mdpi.com. November 2017. p. 13. Consultado el 17 de marzo de 2021. «Lead–acid batteries have a ... round trip-efficiency (RTE) of ~70–90%». 
  22. ↑ La temperatura afecta al comportamiento de carga, a la capacidad y a la vida útil de la batería, y afecta a cada uno de ellos de forma diferente, con distintos rangos de temperatura para cada uno. Los valores indicados aquí son rangos generales para el funcionamiento de la batería.
  23. ↑ Ma, Shuai (December 2018). «"Temperature effect and thermal impact in lithium-ion batteries: A review"». Progress in Natural Science: Materials International (pdf) 28 (6): 653-666. S2CID 115675281. doi:10.1016/j.pnsc.2018.11.002. Consultado el 17 de marzo de 2021. 
  24. ↑ Hutchinson, Ronda (June 2004). Temperature effects on sealed lead acid batteries and charging techniques to prolong cycle life (pdf). Sandia National Labs. p. 10. S2CID 111233540. doi:10.2172/975252. Consultado el 17 de marzo de 2021. 
  25. ↑ «First sodium-ion battery EVs go into serial production in China». electrive.com (en inglés estadounidense). Consultado el 11 de noviembre de 2024. 
  26. ↑ Bobylev, Denis (24 de agosto de 2023). «Dongfeng reveales Nammi 01 EV that supports a solid state battery». CarNewsChina.com (en inglés estadounidense). Consultado el 11 de noviembre de 2024. 
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  28. ↑ WO2016027082A1, Barker, Jeremy & Wright, Christopher John, "Storage and/or transportation of sodium-ion cells", issued 2016-02-25, Filed by Faradion Limited on August 22, 2014.
  29. ↑ «Faradion announces a collaboration and licensing deal with AMTE Power». Faradion (en inglés británico). 10 de marzo de 2021. Consultado el 7 de noviembre de 2021. 
  30. ↑ «ULTRA Safe AMTE A5». May 2020. Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2020. Consultado el 2 de abril de 2023. 
  31. ↑ «Dundee in running as battery cell pioneer AMTE Power closes in on UK 'gigafactory' site». www.scotsman.com (en inglés). 5 de octubre de 2021. Consultado el 7 de noviembre de 2021. 
  32. ↑ Rudola, Ashish; Rennie, Anthony J. R.; Heap, Richard; Meysami, Seyyed Shayan; Lowbridge, Alex; Mazzali, Francesco; Sayers, Ruth; Wright, Christopher J. et al. (2021). «Commercialisation of high energy density sodium-ion batteries: Faradion's journey and outlook». Journal of Materials Chemistry A (en inglés) 9 (13): 8279-8302. ISSN 2050-7488. S2CID 233516956. doi:10.1039/d1ta00376c. 
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  39. ↑ «Tiamat |». 
  40. ↑ «Hina Battery Becomes 1st Battery Maker to Put Sodium-ion Batteries in Evs in China». batteriesnews.com. Consultado el 23 de febrero de 2023. 
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  45. ↑ Lykiardopoulou, Loanna (10 de noviembre de 2021). «3 reasons why sodium-ion batteries may dethrone lithium». TNW. Consultado el 13 de noviembre de 2021. 
  46. ↑ 1.pdf «DOE ESHB Capítulo 4: Tecnologías de baterías basadas en sodio». 

Enlaces externos

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