Investigadores de Singapur alargan la vida de las baterías de estado sólido, pero el coche eléctrico aún exige más pasos

La solución ataca dos viejos puntos débiles de las baterías de sodio

El sodio no es un recién llegado a la química de baterías, pero las versiones con electrolito sólido arrastran dos problemas persistentes. Los iones de sodio se desplazan demasiado despacio a través del polímero y el ánodo de sodio metálico puede formar dendritas durante la carga. Estas estructuras en forma de aguja pueden perforar la celda y provocar un cortocircuito.

Un equipo del College of Design and Engineering de la Universidad Nacional de Singapur publicó su trabajo en Advanced Functional Materials. Los investigadores añadieron nitruro de carbono grafítico, o GCN, a un electrolito basado en óxido de polietileno y una sal de sodio. El material se obtiene calentando urea al aire hasta 550 °C, lo que forma láminas de unos 2 nm de grosor.

Dentro del electrolito, el GCN cumple dos funciones útiles al mismo tiempo. Primero, rompe las regiones cristalinas rígidas del polímero y crea más zonas amorfas, donde los iones de sodio pueden moverse con mayor libertad. Segundo, los sitios superficiales ricos en nitrógeno ayudan a separar los iones de sodio de los contraiones de la sal, elevando el número de transferencia del ion sodio de 0,19 a 0,51. La conductividad iónica a 55 °C se duplicó con creces.

Frenar las dendritas es lo más importante

Un ánodo de sodio metálico ofrece una alta densidad energética teórica, pero el metal se deposita de forma irregular durante la carga. Ahí empiezan a crecer las dendritas, que amenazan la celda desde dentro.

El electrolito compuesto con GCN resultó ser tres veces más resistente que el polímero original. Más importante aún, ayudó a formar una capa protectora inorgánica basada en sodio sobre la superficie del ánodo y favoreció una deposición más uniforme del metal. En una prueba comparativa, el electrolito polimérico sin modificar sufrió un cortocircuito tras 250 horas con una densidad de corriente de 0,1 mA por cm². El electrolito con GCN funcionó durante 1000 horas con la misma carga y durante más de 2000 horas a 0,2 mA por cm².

A igual densidad de corriente, el ensayo mostró una mejora de aproximadamente cuatro veces en la vida útil de la batería. Con una carga más exigente, superó las 2000 horas. Es relevante porque la resistencia a las dendritas refleja mejor la seguridad práctica de una batería sólida con ánodo metálico que cualquier cifra aislada de potencia.

La celda completa mostró una buena vida útil en ciclos

Los investigadores también construyeron una celda completa de electrolito sólido, con un cátodo de fosfato de vanadio y sodio dopado con zinc y recubierto de carbono, y un ánodo de sodio metálico. A una tasa de carga y descarga de 0,5C, la celda conservó el 95 % de su capacidad tras 500 ciclos, mientras que la eficiencia coulómbica alcanzó alrededor del 99,97 %. En términos sencillos, 1C significa cargar una batería en aproximadamente una hora, mientras que 2C equivale a unos 30 minutos.

Para demostrar la seguridad mecánica, el equipo fabricó también una celda de bolsa monocapa capaz de alimentar un LED mientras se plegaba, se desplegaba y se cortaba. Eso no demuestra que esté lista para un paquete de baterías de coche eléctrico, pero sí explica por qué los electrolitos sólidos ofrecen una ventaja de seguridad frente a las celdas con electrolito líquido.

Todavía no es un rival de CATL para coches eléctricos

Para la industria del automóvil, este resultado debe medirse frente a lo que ya avanza hacia la producción, no frente a un ideal de laboratorio. La batería de ion sodio Naxtra de CATL se encamina hacia su uso en serie con Changan, y CATL cifra la densidad energética de la celda en hasta 175 Wh por kg. En una arquitectura cell-to-pack, eso podría permitir más de 400 km de autonomía, con un objetivo futuro de 500 a 600 km. Sin embargo, no se trata de una batería de sodio metálico con electrolito sólido.

El trabajo de Singapur responde a otra lógica tecnológica. Su fortaleza no es la autonomía máxima, al menos por ahora. Lo son la seguridad, las materias primas de menor coste y la posibilidad de reducir la dependencia del litio. La gran limitación sigue siendo la temperatura de funcionamiento. El mejor resultado llegó a 55 °C, mientras que el siguiente objetivo es operar de forma estable a 45 °C. Una batería para coche eléctrico europeo tiene que funcionar en una ventana climática mucho más amplia, no solo en un laboratorio cálido.

Europa podría notar antes el impacto en el almacenamiento que en los eléctricos de altas prestaciones

Europa necesita baterías baratas, seguras y con menor riesgo de materias primas sobre todo para almacenamiento en red y en parques solares. En esas aplicaciones, la energía por kilogramo importa menos que el precio, la seguridad frente al fuego, la vida útil y el coste de mantenimiento. Ese es el nicho en el que una batería de sodio con electrolito sólido podría empezar a presionar a las baterías LFP.

En coches eléctricos, la química de sodio probablemente aparecerá primero en urbanos baratos, vehículos comerciales y modelos para climas más fríos, donde el precio y la tolerancia térmica pueden pesar más que una menor densidad energética. Los eléctricos premium y de gran autonomía seguirán siendo territorio de las químicas de litio de alta energía durante los próximos años.

Ficha técnica

Electrolito: un electrolito polimérico sólido basado en óxido de polietileno y sal de sodio, con láminas de GCN de 2 nm añadidas.

Transporte iónico: la conductividad iónica se duplicó con creces a 55 °C, mientras que el número de transferencia del ion sodio subió de 0,19 a 0,51.

Resistencia a las dendritas: el electrolito compuesto funcionó durante 1000 horas a 0,1 mA por cm² y durante más de 2000 horas a 0,2 mA por cm².

Celda completa: retención del 95 % de la capacidad tras 500 ciclos a 0,5C, con una eficiencia coulómbica de alrededor del 99,97 %.

Limitación principal: la tecnología aún necesita temperaturas de funcionamiento más bajas y prototipos de mayor formato.

El avance es real, pero también lo es la distancia entre una celda de laboratorio brillante y un paquete de baterías capaz de sobrevivir años de cargas, heladas, calor y conductores impacientes.