La batería de iones de sodio ( NIB ) es un tipo de batería recargable análoga a la batería de iones de litio pero que utiliza iones de sodio (Na + ) como portadores de carga . Su principio de funcionamiento y la construcción de la celda son casi idénticos a los de los tipos de baterías de iones de litio comercialmente extendidos, pero se utilizan compuestos de sodio en lugar de compuestos de litio.
Las baterías de iones de sodio han recibido mucho interés académico y comercial en las décadas de 2010 y 2020 como posible tecnología complementaria a las baterías de iones de litio, en gran parte debido a la distribución geográfica desigual, el alto impacto ambiental y el alto costo de muchos de los elementos necesarios para el litio. Baterías de iones. Los principales son 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 alta abundancia natural de sodio. Esto podría hacer que la producción comercial de baterías de iones de sodio sea menos costosa que las baterías de iones de litio. [2]
A partir de 2020, las baterías de iones de sodio tienen muy poca participación en el mercado de baterías. La tecnología no se menciona en un informe de la Administración de Información Energética de los Estados Unidos sobre tecnologías de almacenamiento de baterías. [3] Ningún vehículo eléctrico utiliza baterías de iones de sodio. Los desafíos para la adopción incluyen una baja densidad de energía y un número limitado de ciclos de carga y descarga. [4]
Historia
El desarrollo de la batería de iones de sodio tuvo lugar junto con el de la batería de iones de litio en los años setenta y principios de los ochenta. Sin embargo, en la década de 1990, quedó claro que las baterías de iones de litio tenían una mayor promesa comercial, lo que provocó una disminución del interés en las baterías de iones de sodio. [5] [ [6] A principios de la década de 2010, las baterías de iones de sodio experimentaron un resurgimiento en el interés, impulsado en gran medida por la creciente demanda y el costo de las materias primas de las baterías de iones de litio. [5] Los principales avances realizados en este campo se describen a continuación.
Principio de operación
Células de la batería de sodio-ion consisten en un cátodo basado en un material que contiene sodio, un ánodo (no necesariamente un material a base de sodio) y un electrolito líquido que contiene sales de sodio disociadas en polar prótico o apróticos disolventes . Durante la carga, los iones de Na + se extraen del cátodo y se insertan en el ánodo mientras los electrones viajan a través del circuito externo; durante la descarga, el proceso inverso ocurre donde el Na + se extrae del ánodo y se vuelve a insertar en el cátodo con los electrones viajando a través del circuito externo haciendo un trabajo útil. En una batería recargable práctica, los materiales del ánodo y del cátodo deben poder soportar ciclos repetidos de almacenamiento de sodio sin degradarse.
Materiales
Dado que las propiedades físicas y electroquímicas del sodio difieren de las del litio, los materiales generalmente utilizados para las baterías de iones de litio, o incluso sus análogos que contienen sodio, no siempre son adecuados para las baterías de iones de sodio. [7]
Ánodos
El ánodo dominante utilizado en las baterías comerciales de iones de litio, el grafito , no se puede utilizar en las baterías de iones de sodio, ya que no puede almacenar el ión de sodio más grande en cantidades apreciables. En cambio, un material de carbono desordenado que consiste en una estructura de carbono amorfo, no cristalino y no grafitizable (llamado " carbono duro ") es el ánodo de iones de sodio preferido en la actualidad. El almacenamiento de sodio del carbono duro se descubrió en 2000. [8] Se demostró que este ánodo entrega 300 mAh / g con un perfil de potencial inclinado por encima de ⁓0,15 V frente a Na / Na + que representa aproximadamente la mitad de la capacidad y un perfil de potencial plano (a meseta potencial) por debajo de ⁓0,15 V frente a Na / Na + . Tal rendimiento de almacenamiento es similar al observado para el almacenamiento de litio en ánodo de grafito para baterías de iones de litio donde las capacidades de 300 - 360 mAh / g son típicas. La primera celda de iones de sodio que utiliza carbón duro se demostró en 2003, que mostró un alto voltaje promedio de 3,7 V durante la descarga. [9]
Si bien el carbono duro es claramente el ánodo más preferido debido a su excelente combinación de alta capacidad, menores potenciales de trabajo y buena estabilidad cíclica, ha habido algunos otros desarrollos notables en ánodos de menor rendimiento. Se descubrió que el grafito podía almacenar sodio a través de la co-intercalación de solventes en electrolitos a base de éter en 2015: se obtuvieron bajas capacidades de alrededor de 100 mAh / g con potenciales de trabajo relativamente altos entre 0 - 1,2 V vs Na / Na + . [10] Algunas fases de titanato de sodio como Na 2 Ti 3 O 7 , [11] [12] [13] o NaTiO 2 , [14] pueden entregar capacidades alrededor de 90 - 180 mAh / g a potenciales de trabajo bajos (<1 V vs Na / Na + ), aunque la estabilidad cíclica se limita actualmente a unos pocos cientos de ciclos. Ha habido numerosos informes de materiales de ánodo que almacenan sodio a través de un mecanismo de reacción de aleación y / o mecanismo de reacción de conversión, [5] sin embargo, la tensión-tensión severa experimentada en el material en el curso de ciclos de almacenamiento repetidos limita severamente su estabilidad cíclica, especialmente en celdas de gran formato, y es un desafío técnico importante que debe superarse mediante un enfoque rentable. Investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio lograron 478 mAh / g con partículas de magnesio de tamaño nanométrico como se anunció en diciembre de 2020. [15]
Cátodos
Se ha logrado un progreso significativo en el diseño de cátodos de iones de sodio de alta densidad de energía desde 2011. Al igual que todos los cátodos de iones de litio, los cátodos de iones de sodio también almacenan sodio a través del mecanismo de reacción de intercalación . Debido a su alta densidad de derivación , altos potenciales operativos y altas capacidades, los cátodos basados en óxidos de metales de transición de sodio han recibido la mayor atención. A partir del deseo de mantener bajos los costos, se han realizado importantes investigaciones para evitar o reducir elementos costosos como Co , Cr , Ni o V en los óxidos. Se demostró que un óxido de Na 2/3 Fe 1/2 Mn 1/2 O 2 de tipo P2 procedente de recursos de Fe y Mn abundantes en la tierra almacena de forma reversible 190 mAh / ga un voltaje de descarga promedio de 2,75 V frente a Na / Na + utilizando el Par redox Fe 3 + / 4 + en 2012: dicha densidad de energía estaba a la par o mejor que los cátodos de iones de litio comerciales como LiFePO 4 o LiMn 2 O 4 . [16] Sin embargo, su naturaleza deficiente en sodio significó sacrificios en la densidad de energía en células llenas prácticas. Para superar la deficiencia de sodio inherente a los óxidos P2, se realizaron esfuerzos significativos en el desarrollo de óxidos más ricos en Na. Se demostró que una mezcla de Na de tipo P3 / P2 / O3 0,76 Mn 0,5 Ni 0,3 Fe 0,1 Mg 0,1 O 2 entrega 140 mAh / ga un voltaje de descarga promedio de 3,2 V frente a Na / Na + en 2015. [17] Faradion Limited , una empresa de iones de sodio con sede en el Reino Unido, ha patentado los cátodos a base de óxido de mayor densidad energética conocidos actualmente para aplicaciones de iones de sodio. En particular, el tipo O3 NaNi cuarto Na 1/6 Mn 2/12 Ti 4/12 Sn 1/12 O 2 óxido puede entregar 160 mAh / g a la tensión promedio de 3,22 V vs Na / Na + , [18 ] mientras que una serie de óxidos a base de Ni dopados de la estequiometría Na a Ni (1 − x − y − z) Mn x Mg y Ti z O 2 pueden entregar 157 mAh / g en una “celda completa” de iones de sodio con el siendo el ánodo de carbono duro (en contraste con la terminología de “ media celda ” utilizada cuando el ánodo es sodio metálico) a un voltaje de descarga promedio de 3,2 V utilizando el par redox Ni 2 + / 4 + . [19] Este rendimiento en configuración de celda completa es mejor o está a la par con los sistemas comerciales de iones de litio en la actualidad.
Aparte de los cátodos de óxido, ha habido interés en la investigación en el desarrollo de cátodos basados en polianiones. Si bien se esperaría que estos cátodos tuvieran una densidad de derivación más baja que los cátodos a base de óxido (lo que afectaría negativamente a la densidad de energía de la batería de iones de sodio resultante) debido al anión voluminoso, para muchos de estos cátodos, la unión covalente más fuerte del El polianión se traduce en un cátodo más robusto que impacta positivamente la vida útil y la seguridad del ciclo. Entre estos cátodos basados en polianiones, el fosfato de vanadio sódico [20] y el fluorofosfato [21] han demostrado una excelente estabilidad cíclica y, en el caso de este último, una capacidad aceptablemente alta (⁓120 mAh / g) a voltajes de descarga promedio elevados (⁓3,6 V frente a Na / Na + ). [22] También ha habido varios informes prometedores sobre el uso de varios análogos del azul de Prusia (PBA) como cátodos de iones de sodio, siendo el Na 2 MnFe (CN) 6 romboédrico patentado particularmente atractivo que muestra una capacidad de 150-160 mAh / g y un voltaje de descarga promedio de 3.4 V [23] [24] [25] y blanco de Prusia romboédrico Na 1.88 (5) Fe [Fe (CN) 6 ] · 0.18 (9) H 2 O que muestra una capacidad inicial de 158 mAh / gy retiene 90% de capacidad después de 50 ciclos. [26] Novasis Energies Inc. está trabajando actualmente para comercializar baterías de iones de sodio basadas en este material y ánodo de carbono duro.
Electrolitos
Las baterías de iones de sodio pueden usar electrolitos acuosos y no acuosos. La ventana de estabilidad electroquímica limitada del agua da como resultado baterías de iones de sodio de voltajes más bajos y densidades de energía limitadas cuando se utilizan electrolitos acuosos. Para extender el rango de tensión de las baterías de iones de sodio, el mismo no acuosa de carbonato de éster de disolventes apróticos polares utilizados en electrolitos de iones de litio, tales como carbonato de etileno , carbonato de dimetilo , carbonato de dietilo , carbonato de propileno , etc., pueden ser utilizados. El electrolito no acuoso más utilizado en la actualidad utiliza hexafluorofosfato de sodio como sal disuelta en una mezcla de estos disolventes. Además, se pueden usar aditivos de electrolitos que pueden mejorar una serie de métricas de rendimiento de la batería. El sodio también se ha considerado un material catódico para baterías de flujo semisólidas .
Ventajas y desventajas sobre otras tecnologías de baterías
Las baterías de iones de sodio tienen varias ventajas sobre las tecnologías de baterías de la competencia. La siguiente tabla compara la situación de los NIB en general con las dos tecnologías de baterías recargables establecidas en el mercado actualmente: la batería de iones de litio y la batería de plomo-ácido recargable . [19] [27]
Batería de iones de sodio | Batería de iones de litio | Batería de ácido sólido | |
Costo por kilovatio hora de capacidad | Datos no disponibles. Se estima que es similar o algo menos que el Li-ion. | $ 137 (promedio en 2020). [28] | $ 100- $ 300 [29] |
Densidad de energía volumétrica | 250-375 W · h / L, basado en prototipos. [30] | 200-683 W · h / L [31] | 80–90 W · h / L [32] |
Densidad de energía gravimétrica (energía específica) | 75-150 W · h / kg, basado en prototipos [30] | 120-260 W · h / kg [31] | 35–40 Wh / kg [32] |
Ciclos al 80% de profundidad de descarga [a] | Hasta miles. [33] | 3.500 [29] | 900 [29] |
Seguridad | Elevado | Baja [b] | Moderar |
Materiales | Abundante en la tierra | Escaso | Tóxico |
Estabilidad de ciclismo | Alto (autodescarga insignificante) | Alto (autodescarga insignificante) | Moderado (alta autodescarga ) |
Eficiencia de ida y vuelta de corriente continua | hasta 92% [33] | 85-95% [34] | 70-90% [35] |
Rango de temperatura [c] | -20 ° C a 60 ° C [33] | Aceptable: -20 ° C a 60 ° C. Óptimo: 15 ° C a 35 ° C [36] | -20 ° C a 60 ° C [37] |
|
Comercialización
En la actualidad, hay algunas empresas en todo el mundo que desarrollan baterías comerciales de iones de sodio para diversas aplicaciones. Las principales empresas se enumeran a continuación.
Faradion Limited : Fundada en 2011 en el Reino Unido , su diseño de celda principal utiliza cátodos de óxido con ánodo de carbono duro y un electrolito líquido. Sus celdas de bolsa tienen densidades de energía comparables a las de las baterías de iones de litio comerciales (140 - 150 Wh / kg a nivel de celda) con un buen rendimiento de velocidad hasta 3 ° C y ciclos de vida de 300 (100% de profundidad de descarga ) a más de 1000 ciclos (80%). profundidad de descarga). [19] Se ha demostrado la viabilidad de sus paquetes de baterías ampliados para aplicaciones de bicicletas eléctricas y patinetes eléctricos. [19] También han demostrado el transporte de células de iones de sodio en estado de cortocircuito (a 0 V), eliminando eficazmente cualquier riesgo del transporte comercial de dichas células. [38] El director de tecnología de la empresa es el Dr. Jerry Barker, co-inventor de varios materiales de electrodos de iones de litio y de sodio de uso popular, como LiM 1 M 2 PO 4 , [39] Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 , [40] y Na 3 M 2 (PO4) 2 F 3 [41] y el método de síntesis de reducción carbotérmica [42] para materiales de electrodos de batería.
Tiamat : Fundada en 2017 en Francia, TIAMAT se ha escindido del CNRS / CEA tras las investigaciones llevadas a cabo por un grupo de trabajo sobre la tecnología de iones de sodio financiada dentro de la red RS2E y un proyecto de la UE H2020 llamado NAIADES. [43] Con licencia exclusiva para 6 patentes del CNRS y CEA, la solución desarrollada por TIAMAT se centra en el desarrollo de celdas completas cilíndricas de formato 18650 basadas en materiales polianiónicos. Con una densidad de energía entre 100 Wh / kg y 120 Wh / kg para este formato, la tecnología apunta a aplicaciones en los mercados de carga y descarga rápida. Se han registrado más de 4000 ciclos en términos de ciclo de vida y las capacidades de velocidad superan el 80% de retención para una carga de 6 minutos. [44] [45] Con un voltaje de funcionamiento nominal de 3,7 V, las celdas de iones de sodio están bien ubicadas en el mercado de energía en desarrollo. La puesta en marcha ha demostrado varios prototipos operativos: bicicletas eléctricas, scooters eléctricos, baterías de arranque y parada de 12 V, baterías de 48 V.
HiNa Battery Technology Co., Ltd : una derivación de la Academia de Ciencias de China (CAS), HiNa Battery se estableció en 2017 a partir de la investigación realizada por el grupo del profesor Hu Yong-sheng en el Instituto de Física de CAS. Las baterías de iones de sodio de HiNa se basan en cátodos de óxido a base de Na-Fe-Mn-Cu y ánodo de carbono a base de antracita y pueden proporcionar una densidad de energía de 120 Wh / kg. En 2019, se informó que HiNa instaló un banco de energía de batería de iones de sodio de 100 kWh en el este de China. [46]
Natron Energy : un derivado de la Universidad de Stanford , Natron Energy utiliza análogos del azul de Prusia tanto para el cátodo como para el ánodo con un electrolito acuoso.
Altris AB: en 2017, tres investigadores de la Universidad de Uppsala , Suecia, colaboraron con EIT InnoEnergy para llevar su invención en el campo de las baterías de sodio recargables a la comercialización, lo que llevó a la formación de Altris AB. Altris AB es una empresa derivada del Centro de Baterías Avanzadas de Ångström dirigida por la Prof. Kristina Edström en la Universidad de Uppsala. EIT InnoEnergy ha invertido en la empresa desde sus inicios. La compañía está vendiendo un análogo de azul de Prusia a base de hierro patentado para el electrodo positivo en baterías de iones de sodio no acuosas que utilizan carbón duro como ánodo.
Aplicaciones
Las aplicaciones de las baterías dependen en gran medida de los factores del costo de vida útil por kilovatio-hora, la densidad de energía específica (energía por gramo de peso), la seguridad y las características de suministro de energía. En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio actuales tienen un costo algo más alto, una densidad de energía ligeramente menor, mejores características de seguridad y características de suministro de energía similares. Si el costo de las baterías de iones de sodio se reduce aún más, que serán favorecidos con rejilla de almacenamiento y almacenamiento en el hogar , donde el peso de la batería no es importante. Si, además de las mejoras de costos, se aumenta la densidad de energía, las baterías podrían usarse para vehículos eléctricos y herramientas eléctricas , y esencialmente cualquier otra aplicación donde las baterías de iones de litio sirvan actualmente.
Ver también
- Lista de tipos de baterías
- Batería de iones de metal alcalino
- Batería de iones de litio
- Batería de iones de sodio
- Batería de iones de potasio
- Batería recargable
- Batería de agua salada
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enlaces externos
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