El resurgimiento de las baterías de iones de sodio a temperatura ambiente
Debido a las abundantes reservas de sodio (Na) en la corteza terrestre y a las propiedades fisicoquímicas similares del sodio y el litio, el almacenamiento de energía electroquímico a base de sodio es muy prometedor para el almacenamiento de energía a gran escala y el desarrollo de redes. Por ejemplo, las celdas de actividad de investigación de baterías de alta temperatura y cero emisiones basadas en sistemas Na/NiCl2 y las celdas de Na-S de alta temperatura, que son casos comerciales exitosos de aplicaciones estacionarias y móviles, ya han demostrado el potencial de las baterías recargables a base de sodio. Sin embargo, su alta temperatura de funcionamiento, de alrededor de 300 °C, provoca problemas de seguridad y reduce la eficiencia de ida y vuelta de las baterías de iones de sodio (SIB). Por lo tanto, los SIB a temperatura ambiente (RT) se consideran ampliamente como la tecnología alternativa más prometedora a los LIB.
A lo largo de la historia de las baterías en los últimos 200 años, la investigación sobre los SIB se llevó a cabo fervientemente al mismo tiempo que el desarrollo de los LIB. La actividad electroquímica del TiS2 para el litio y su viabilidad para el almacenamiento de energía se plantearon por primera vez en los años 1970. Tras este descubrimiento, a principios de los años 1980 se descubrió la capacidad de los iones Na para insertarse en TiS+2. Con el descubrimiento del grafito como material anódico de bajo costo y capacidad moderada para LIB y la imposibilidad de intercalar iones de sodio, en la década de 1990 se produjo un rápido desarrollo de LIB, que reemplazó el crecimiento de la química del sodio. Luego, en 2000, la disponibilidad de almacenamiento de sodio en carbono duro (HC), que proporcionaría una capacidad energética similar a la del Li en grafito, rejuveneció el interés de la investigación en los BIS.
Una comparación de la batería de iones de sodio y la batería de iones de litio
La reactivación de los BIS, junto con la presión cada vez mayor derivada de la falta de disponibilidad de reservas de litio y la correspondiente escalada de costos, proporciona una estrategia complementaria a los BIS. Los BIS han ganado una atención cada vez mayor en la investigación, combinada con logros fundamentales en la ciencia de los materiales, en el intento de satisfacer la creciente penetración de las tecnologías de energía renovable. Los componentes de la celda y los mecanismos de reacción electroquímica de los SIB son básicamente idénticos a los de los LIB, excepto por el portador de carga, que es Na en uno y Li en el otro. La razón principal de la rápida expansión de la química de los materiales SIB se atribuye a los paralelos en las propiedades fisicoquímicas entre los dos metales alcalinos.
Primero, los principios operativos y la construcción de celdas de los SIB son similares a los de los LIB comerciales, aunque con Na como portador de carga. En un SIB típico existen cuatro componentes principales: un material catódico (generalmente un compuesto que contiene Na); un material anódico (que no contiene necesariamente Na); un electrolito (en estado líquido o sólido); y un separador. Durante el proceso de carga, los iones de sodio se extraen de los cátodos, que normalmente son óxidos metálicos estratificados y compuestos polianiónicos, y luego se insertan en los ánodos, mientras la corriente viaja a través de un circuito externo en la dirección opuesta. Al descargarse, el Na sale de los ánodos y regresa a los cátodos en un proceso conocido como "el principio de la mecedora". Estas similitudes han permitido la comprensión preliminar y el rápido crecimiento de la tecnología SIB.
Además, el mayor radio iónico del Na trae sus propias ventajas: mayor flexibilidad de la positividad electroquímica y disminución de la energía de desolvatación en disolventes polares. La mayor brecha en el radio iónico entre el Li y los iones de los metales de transición generalmente conduce a una falla en la flexibilidad del diseño del material. Por el contrario, un sistema basado en sodio permite estructuras sólidas más flexibles que un sistema basado en litio y posee una enorme conductividad iónica. Un ejemplo típico es el β-Al2O3, para el cual la intercalación de Na tiene el tamaño perfecto y una alta conductividad. Se pueden realizar fácilmente más óxidos de metales de transición en capas con diferentes formas de apilamiento M+x+ en un sistema a base de sodio. De manera similar, la amplia variedad de estructuras cristalinas conocidas para la familia de conductores iónicos de sodio (NaSICON) es mucho más complicada que la de los análogos del litio. Más importante aún, se puede permitir una conductividad iónica mucho mayor en los compuestos de NaSICON, que supera con creces la conductividad iónica en los compuestos conductores iónicos de litio (LiSICON).
Por último, pero no menos importante, investigaciones sistemáticas con diferentes disolventes polares apróticos han demostrado que el mayor radio iónico del Na provoca una energía de desolvatación más débil. El Li más pequeño tiene una mayor densidad de carga superficial alrededor del núcleo que el Na cuando ambos poseen la misma valencia. Por lo tanto, el Li se estabiliza termodinámicamente al compartir más electrones con las moléculas del disolvente polar. Es decir, el Li se puede clasificar como un tipo de ácido de Lewis. Como resultado, se necesita una energía de desolvatación relativamente alta para el Li altamente polarizado, lo que lleva a que se induzca una resistencia de transferencia relativamente grande mediante el transporte de Li desde el estado líquido (electrolito) al estado sólido (electrodo). Dado que la energía de desolvatación está estrechamente relacionada con la cinética de transferencia que ocurre en la interfaz líquido/sólido, la energía de desolvatación relativamente baja es una ventaja significativa para diseñar SIB de alta potencia.