Las baterías a base de sodio no son nuevas en el mercado de almacenamiento de energía, pero el interés en esta tecnología comenzó a aumentar a principios de la década de 2020, cuando la industria buscaba alternativas al litio. Los precios del litio se dispararon bruscamente durante ese período, y dado que la mayor parte del refinamiento global de litio está concentrado en China, los gobiernos y fabricantes de todo el mundo se vieron motivados a diversificar las químicas de las baterías. El sodio es el sexto elemento más abundante en la Tierra, y las baterías de ion-sodio funcionan y pueden fabricarse de manera similar a los diseños convencionales de litio, lo que hace que su adopción sea más directa que otras tecnologías avanzadas, como las baterías de flujo. Sin embargo, así como existen múltiples químicas de litio, también hay diferentes tipos de baterías de sodio que se adaptan a distintos casos de uso.

¿Qué es una batería de sodio?

Las baterías a base de sodio dependen del abundante sodio para generar energía no tóxica. No son inflamables ni explosivas —siempre y cuando no se introduzcan otros materiales reactivos en la química— y pueden operar en un amplio rango de temperaturas. Las celdas de baterías de sodio también pueden descargarse completamente a carga cero sin sufrir daños.

Durante la carga, los iones de sodio se desplazan del cátodo al ánodo; durante la descarga, viajan de vuelta del ánodo al cátodo. El proceso de fabricación refleja de cerca al de las baterías de litio: el cátodo y el ánodo se recubren con una pasta, la bolsa de la celda se rellena con electrolitos y luego el módulo se sella. Los fabricantes de celdas de sodio están adoptando factores de forma similares a los de las celdas de litio para facilitar una adopción sencilla.

Una distinción clave radica en el diseño del colector de corriente. Las baterías de sodio típicamente utilizan solo aluminio, mientras que las baterías de litio emplean tanto aluminio como cobre. El uso exclusivo de aluminio otorga teóricamente a las baterías de sodio una ventaja en costos. Además, dado que las baterías de sodio operan en un amplio rango de temperaturas y presentan un riesgo de incendio mínimo, no requieren los sistemas de calefacción, refrigeración y supresión de incendios que se encuentran en los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de litio (BESS). Esto permite que los sistemas de almacenamiento de energía de sodio a gran escala tengan una huella física significativamente menor que sus contrapartes de litio. Para el almacenamiento estacionario a escala de red, donde el peso y el volumen son menos restrictivos que en los vehículos eléctricos, la menor densidad de energía del sodio en comparación con el litio es menos problemática.

Diferentes tipos de baterías de sodio

Existen varias variantes de baterías de sodio, pero las tres más comunes son NFM, NCO y NFPP.

Sodium Nickel Iron Manganese (NFM) se compara con mayor frecuencia con el óxido de cobalto y litio (LCO) y se utiliza en aplicaciones de e-movilidad ligera, como scooters y bicicletas eléctricas. Al igual que las baterías LCO que se encuentran en electrónica de consumo portátil como los teléfonos, las baterías NFM pueden plantear riesgos de seguridad y pueden incendiarse. No se consideran apropiadas para aplicaciones a gran escala.

Sodium Chromium Oxide (NCO) se compara a menudo con el níquel-manganeso-cobalto (NMC). NCO ofrece una alta densidad de energía pero una vida útil relativamente corta. Estas baterías de óxido de metal en capas pueden entrar en descontrol térmico y generar oxígeno al arder, aunque la probabilidad es considerablemente menor que la observada en las baterías de litio.

Sodium Iron-Phosphate Pyrophosphate (NFPP) se compara típicamente con el fosfato de hierro y litio (LFP). Las baterías NFPP ofrecen una mejor vida útil y tolerancias térmicas con un riesgo de incendio casi nulo. El fabricante con sede en EE. UU. Alsym incorpora un electrolito no inflamable en su diseño NFPP+ para eliminar aún más el riesgo de incendio. En comparación con LFP, los diseños NFPP tienen una menor densidad de energía pero requieren menos infraestructura de HVAC y menos complementos BESS.

¿Dónde se fabrican e instalan las baterías de sodio?

Como ocurre con prácticamente todos los productos de baterías, China domina actualmente la producción. La fabricación de baterías de sodio puede integrarse en las líneas de producción de LFP existentes con relativa facilidad, y muchas marcas chinas establecidas de litio ya han reconvertido la capacidad inactiva o excedente de sus plantas para producir diseños de sodio.

En los Estados Unidos, hay un puñado de esfuerzos de investigación y desarrollo de ion-sodio en marcha. La abundante base química de la batería y la ausencia de materiales críticos significan que EE. UU. podría rápidamente impulsar la fabricación nacional de sistemas de almacenamiento de energía de ion-sodio. Los incentivos federales bajo la Inflation Reduction Act de 2022, que incluyen créditos fiscales para celdas de baterías producidas nacionalmente y el abastecimiento de minerales críticos, han fomentado aún más la inversión en químicas no basadas en litio que reducen la dependencia de materiales importados.

Alsym, con sede en Boston, ha estado desarrollando diseños de celdas NFPP, y el desarrollador de almacenamiento de energía a gran escala ESS anunció recientemente que utilizará la tecnología de Alsym en su próximo lanzamiento de baterías de ion-sodio.

"Nuestro primer lanzamiento será con NFPP porque es una buena tecnología. Sigue las mismas características que ESS ha mantenido desde su creación: sin riesgo de incendios y es segura", dijo Randy Selesky, director comercial de ESS.

Unigrid, empresa derivada de UC San Diego, está desarrollando celdas NCO y anunció una alianza con el fabricante Syntropic Power para producir baterías de ion-sodio en los Estados Unidos. Las dos empresas se enfocan en el mercado residencial porque está listo para algunas alternativas al litio, dijo Darren Tan, cofundador y CEO de Unigrid.

"Ya tenemos almacenamiento de agua en casa, tenemos almacenamiento de alimentos. Creo que es muy concebible que en las próximas dos décadas todos puedan tener almacenamiento de energía en casa, siempre y cuando sea tan asequible, seguro y confiable como un refrigerador", dijo Tan. "Esta es una oportunidad para el ion-sodio."

Peak Energy planea inaugurar una instalación en Sacramento en 2027 con 4 GWh de capacidad de fabricación anual, produciendo sistemas NFPP de 3.1 MWh. La empresa actualmente utiliza celdas importadas, pero los ejecutivos ya están asegurando otros componentes, dijo Brandon Kelly, científico jefe de Peak.

"Puedes fabricar carbono duro, que es el ánodo, a partir de casi cualquier cosa. Ahora mismo usamos cocos. Vamos a probar con huesos de durazno y otras cosas al azar. Hace que las conversaciones sobre la cadena de suministro sean divertidas", dijo Kelly. "Pero puedes hacerlo a partir de carbón, puedes hacerlo a partir de subproductos del petróleo, que son cosas en las que somos buenos aquí en Estados Unidos. Aunque no es algo que esté escalado hoy, es algo que será bastante fácil de hacer [en los Estados Unidos] en comparación con el litio."

Las empresas estadounidenses no estarían construyendo infraestructura de fabricación si no existiera demanda para la nueva tecnología de baterías. Aunque la capacidad instalada actual es baja, cada representante de empresa dijo a Solar Power World que la industria se encuentra al inicio de un crecimiento significativo. El mercado más amplio de almacenamiento de energía a escala de red se está expandiendo a medida que aumenta el despliegue de energías renovables y las empresas de servicios públicos buscan soluciones de mayor duración para equilibrar la generación intermitente.

"El año pasado se produjeron más de 3 GWh de sodio", dijo Kelly. "Hay mucha gente que siente que es más una tecnología de laboratorio, pero la realidad es que son celdas de calidad comercial que ya cumplen con su rendimiento en ese formato grande que se puede obtener a escala de gigavatio-hora. Está lista para su momento estelar."