Supera uno de los problemas más complejos de la química de las baterías mediante el desarrollo de un gel especial

Investigadores chinos han anunciado un revolucionario diseño de batería de sodio metálico (SMB, por sus siglas en inglés) que puede cargarse completamente en tan solo cuatro minutos y conservará su capacidad durante años de uso.

Las baterías de estado sólido son un tipo de baterías estables de carga ultrarrápida que, según los científicos, podrían convertirse en una alternativa económica a las actuales baterías de iones de litio (Li-ion), las cuales dependen de metales concentrados geográficamente y son fácilmente inflamables.

Las SMB también se diferencian de las baterías de iones de sodio (Na-ion) en que utilizan un ánodo de sodio metálico en lugar de un ánodo de grafito o carbono duro.

Sin embargo, las baterías de sodio-metal siguen siendo en gran medida teóricas debido a su propensión a un tipo de degradación conocida como formación de dendritas. Esto ocurre cuando los iones de sodio que atraviesan el electrodo se depositan sobre el ánodo de sodio, un metal puro altamente reactivo, formando puntiagudas estructuras similares a estalagmitas. Con el tiempo, esto forma un puente entre el cátodo y el ánodo, provocando un cortocircuito en la batería.

La formación de dendritas es especialmente común en las baterías de sodio porque el sodio es un metal altamente reactivo. Cuando la cargala carga pasa a través de una batería de iones de litio, iones de Na o sodio metálico, el ánodo siempre reacciona con el electrolito para formar una capa de óxido conocida como SEI.

Suele tener un grosor de entre 10 y 50 nanómetros —aproximadamente el ancho de un pequeño virus—, pero generalmente es inofensiva. Sin embargo, en presencia de sodio, la capa SEI a menudo se agrieta, formando protuberancias que atraen iones de sodio, los cuales se acumulan formando dendritas.

Ahora, los investigadores afirman haber resuelto este problema utilizando un electrolito de gel resistente y casi sólido —denominado Sn-FB QSE— que fortalece la batería contra perforaciones y proporciona una estructura interna semisólida que evita la formación de dendritas.

Imagen derecha: Rendimiento electroquímico de las baterías SMB

Para confirmar la durabilidad de este método, los científicos cargaron y descargaron la batería durante más de 6.000 horas sin que las dendritas provocaran un cortocircuito en la misma. También observaron que, al cargar la batería del 0 al 100 % de su capacidad en tan solo cuatro minutos, conservaba una carga eléctrica, medida en miliamperios-hora por gramo (mAh g–1), de 80,1. Esto equivale aproximadamente a la mitad de la que conservan las baterías de iones de litio.

Según los científicos, al cargar la batería a una velocidad ligeramente menor (del 0 al 100 % en 20 minutos), esta conservó el 90 % de su capacidad de carga durante 2.000 ciclos, lo que coincide con los límites teóricos de las baterías de iones de litio. Esta menor velocidad redujo el costo y mejoró la seguridad.

Esto es destacable porque los científicos lograron este resultado en la nueva batería, cargándola a una velocidad superior a la de las baterías de iones de litio. Esto es relevante, ya que la velocidad de carga sigue siendo un obstáculo para la implementación de baterías en vehículos eléctricos.

El vehículo eléctrico con la carga más rápida en la actualidad es el BYD Denza, que según el fabricante chino puede pasar del 10% al 70% en tan solo cinco minutos. Sin embargo, esto requiere cargadores patentados altamente especializados de 1 MW.

La mayoría de los vehículos eléctricos se cargan mucho más despacio: los representantes de Tesla afirman que su Model 3 puede recargarse del 10 al 70 % en aproximadamente 15 minutos utilizando los cargadores rápidos de 250 kW de Tesla, pero los representantes de la plataforma de rutas para vehículos eléctricos Zapmap dicen que el mismo vehículo tardará 90 minutos en cargarse al 80 % con cargadores de 50 kW.

De hecho, la mayoría de las baterías utilizadas en tecnologías modernas, como teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos, son de iones de litio. Sin embargo, las baterías de iones de litio son costosas de producir porque contienen los metales litio y cobalto, difíciles de obtener, y son propensas a incendiarse.

Cada vez más, los fabricantes de baterías buscan llevar las baterías de iones de sodio a escala comercial porque son más económicas y seguras. Sin embargo, son más pesadas y voluminosas que las baterías de iones de litio.

Las baterías SMB son objeto de intensa investigación porque, en teoría, combinan lo mejor de ambos tipos de baterías. Dado que las SMB utilizan un ánodo de sodio, a diferencia de las baterías de iones de sodio que utilizan ánodos de grafito o carbono duro, son más ligeras y económicas de producir, y por lo tanto, mucho más comparables a las de iones de litio en términos de tamaño y peso.

También son más seguras porque funcionan con iones de sodio, que son voluminosos y no pueden fluir con la suficiente rapidez hacia las grietas en la pared de la batería como para provocar una reacción térmica descontrolada. Esta es la reacción en cadena autosostenida que hace que las baterías se incendien cuando se dañan.

Según los científicos, si se logran resolver, replicar y escalar los problemas de formación de dendritas y estabilidad a bajas temperaturas, las baterías SMB podrían transformar la economía del despliegue de baterías durante la próxima década.

Los científicos creen que las baterías SMB podrían ser una excelente opción para los vehículos eléctricos en el transporte público o en los coches de uso diario, ya que, si bien tienen una autonomía menor que las baterías de iones de sodio y de litio, se cargan más rápido. Sin embargo, no estarán disponibles por un tiempo, ni en vehículos ni en dispositivos más pequeños como la electrónica de consumo.

Esto se debe a que dispositivos como los teléfonos inteligentes están sujetos a bruscos cambios de temperatura que afectan la química interna de las baterías que utilizan electrolitos de gel. La investigación debe replicarse antes de que los fabricantes se sientan seguros al usar sodio metálico puro en lugar de las configuraciones de grafito, que son bien conocidas.

Los hallazgos se han publicado el 21 de mayo en un estudio de la revista Nano-Micro Letters: Dual Interlocked Mediators Enable Single-Ion-Conducting Quasi-Solid-State Electrolytes for Ultrafast-Charging Long-Life Sodium Metal Batteries