Cargar una batería en lo que tardamos en comprar un café parece todavía una promesa lejana. Sin embargo, un equipo chino con investigadores de Southeast University, HiNa Battery y la Universidad de Yangzhou ha desarrollado una batería de sodio metálico con un electrolito en gel que trabajó a una tasa de 15C, un ritmo equivalente en teoría a completar la carga en cuatro minutos.
La velocidad no es el único resultado importante. En otra prueba, realizada a 3C (unos 20 minutos por carga), las celdas completas conservaron el 90 % de su capacidad después de 2000 ciclos. Hay motivos para prestar atención, pero también para mantener los pies en el suelo, porque se trata de resultados de laboratorio y no de una batería lista para instalar mañana en un coche eléctrico.
La clave está en un gel cuasisólido
Conviene aclarar primero el nombre. SMB significa «batería de sodio metálico», no batería de estado sólido. En este caso, el equipo utilizó un electrolito cuasisólido llamado Sn-FB QSE, una especie de gel polimérico que conduce los iones de sodio entre los electrodos.
El material combina dos componentes que trabajan de forma coordinada. Los iones de estaño ayudan a iniciar la formación del polímero, mientras que el difluoro(oxalato)borato frena una reacción demasiado rápida y evita que la red interna quede irregular.
El resultado es una estructura más uniforme y resistente. El electrolito alcanzó un número de transferencia de sodio de 0,94, una conductividad de 1,3 milisiemens por centímetro y una resistencia a la perforación de 8,5 kilopascales. En la práctica, esto significa que casi toda la corriente iónica útil procede del movimiento del sodio.
El problema de las dendritas
Las baterías de sodio metálico tienen una ventaja atractiva, ya que emplean sodio puro en el ánodo. El problema aparece durante las cargas repetidas, cuando el metal puede crecer en forma de agujas microscópicas llamadas dendritas.
Esas estructuras pueden atravesar el electrolito y unir los dos electrodos. El resultado puede ser un cortocircuito, una pérdida rápida de capacidad y un riesgo para la seguridad. Es uno de los grandes frenos para esta tecnología.
El nuevo gel crea capas protectoras en ambos lados. En el ánodo forma una interfaz rica en compuestos inorgánicos y una aleación de sodio y estaño, mientras que en el cátodo genera una película fina y resistente. Las celdas simétricas mantuvieron un funcionamiento estable durante más de 6000 horas, aunque esta prueba estudia sobre todo el comportamiento del sodio y no equivale a una batería completa alimentando un vehículo.
Cuatro minutos, pero con matices
La cifra que más llama la atención es 15C. Una tasa de 1C representa, de forma simplificada, una carga en una hora, por lo que 15C equivale a cuatro minutos. Pero cargar tan rápido tiene un precio.
A 0,5C, la celda entregó 103,4 miliamperios hora por gramo. A 15C mantuvo 80,1 miliamperios hora por gramo, cerca del 77 % de aquella capacidad medida a menor velocidad. Cuando los investigadores volvieron a 0,5C, la capacidad regresó a 103,4, una señal de que la carga ultrarrápida no había causado una degradación inmediata apreciable.
La prueba de duración se hizo a 3C, no a 15C. A ese ritmo, equivalente a unos 20 minutos, la batería conservó el 90 % tras 2000 ciclos y terminó con 73,1 miliamperios hora por gramo. En un uso hipotético de un ciclo diario serían más de cinco años, aunque esa cuenta no sustituye una prueba real en carretera.
Qué cambia frente al litio
El sodio es abundante y su cadena de suministro está menos expuesta a la volatilidad asociada a algunos materiales empleados en las baterías de litio. Además, utilizar sodio metálico evita recurrir al grafito o al carbono duro como material principal del ánodo.
Eso no significa que esta batería vaya a superar automáticamente a las de iones de litio. El estudio informa sobre capacidad específica del cátodo, velocidad y estabilidad, pero no ofrece una densidad energética completa a nivel de celda o paquete. Tampoco calcula cuánto costaría fabricarla a escala industrial.
¿Qué notaría un conductor si la tecnología llegara a funcionar a gran escala? Paradas de carga mucho más cortas y, quizá, baterías con materias primas más accesibles. Pero harían falta cargadores capaces de suministrar una potencia enorme, además de una red eléctrica preparada para soportarla sin convertir cada área de servicio en un cuello de botella.
La prueba que aún falta
Los investigadores dieron algunos pasos más allá de las pequeñas celdas experimentales. Una celda con mayor cantidad de material en el cátodo conservó el 75 % de su capacidad tras 500 ciclos a 1C. También fabricaron una batería flexible de bolsa de 4 por 5 centímetros que alimentó un teléfono incluso mientras estaba doblada.
Aun así, esa bolsa sin presión solo fue probada durante 19 ciclos y conservó el 84 % de su capacidad. Con una fuerza de sujeción de 100 kilopascales alcanzó 100 ciclos, pero terminó con el 60 %. No es poca cosa para una demostración temprana, aunque queda lejos de lo exigido a un producto comercial.
Ahora toca repetir el resultado en otros laboratorios, fabricar celdas mucho mayores y comprobar su respuesta frente al frío, el calor, los golpes y la carga rápida continuada. También habrá que demostrar que el gel puede producirse de forma uniforme y barata. Ahí se decide si una buena química sale del laboratorio.
Una tecnología prometedora, no una batería comercial
El avance resuelve en buena parte dos problemas que suelen ir juntos, el transporte lento de los iones y la degradación de las interfaces. Esa combinación explica que la celda pueda cargarse deprisa sin perder de inmediato su capacidad.
Pero la noticia no significa que los coches eléctricos vayan a recargarse en cuatro minutos a corto plazo. Significa algo más prudente y, quizá, más útil, que una batería de sodio metálico cuasisólida ha demostrado una velocidad y una duración poco habituales bajo condiciones controladas.
El estudio completo ha sido publicado en Nano-Micro Letters.
