Las baterías de iones de sodio y de iones de litio comparten los mismos principios electroquímicos, con el sodio sustituyendo al litio. Aunque se requieren diferentes cátodos, ánodos y electrolitos para acomodar esta sustitución, la composición química general sigue siendo similar en ambas tecnologías.

La diferencia más significativa radica en el cátodo. Sin embargo, los principales actores están desarrollando activamente alternativas basadas en sodio a las NMC (níquel manganeso cobalto) y LFP (litio hierro fosfato) de iones de litio, según el nuevo informe de IDTechEx, «Baterías de iones de sodio 2025-2035: tecnología, actores, mercados y previsiones». Los tres tipos principales de cátodos de iones de sodio en desarrollo son los óxidos de metales de transición (similares al NMC), los polianiones (similares al LFP) y los análogos del azul de Prusia (exclusivos de los iones de sodio).

Los óxidos de metales de transición y los análogos del azul de Prusia son especialmente prometedores debido a su bajo coste y a que evitan los elementos de tierras raras. Los óxidos de metales de transición, compuestos normalmente de sodio, oxígeno, níquel, hierro y manganeso, excluyen el cobalto, lo que resuelve los problemas de sostenibilidad que han afectado a las baterías de iones de litio. Los análogos del azul de Prusia, con su estructura romboédrica, consisten únicamente en sodio, hierro, carbono y nitrógeno, lo que los hace únicos en la tecnología de iones de sodio.

En el frente del ánodo y el electrolito, las baterías de iones de sodio son muy similares a las de iones de litio. Los ánodos de carbono duro, utilizados en generaciones anteriores de iones de litio, son la opción preferida, ya que los iones de sodio son demasiado grandes para intercalarse en el grafito. Los electrolitos consisten en sales y disolventes similares, con sodio en lugar de litio, como el NaPF6 en un disolvente de carbonato.

Comparación de iones de sodio con otras químicas celulares. Fuente: IDTechEx

Al comparar las diferentes características de rendimiento, se pueden ver las ventajas y desventajas generales de cada composición química de la batería. La densidad energética de las baterías de iones de sodio sigue siendo inferior a la de las celdas de iones de litio de alta energía, que utilizan níquel, pero se están acercando a la densidad energética de las celdas de fosfato de hierro y litio (LFP) de alta potencia. La vida útil de las celdas es razonable en algunas configuraciones, pero uno de los elementos interesantes que no se muestran en la imagen es que las baterías de iones de sodio pueden tener características de potencia bastante altas, con informes de ~1000 W/kg, que es más alta que las celdas NMC (~340-420 W/kg) y LFP (~175-425 W/kg). También exhiben un mejor rendimiento a baja temperatura.

Competitividad de costes en un mercado cambiante

Una de las principales ventajas de las baterías de iones de sodio es su potencial de reducción de costes en comparación con las tecnologías de iones de litio. A gran escala, se espera que una batería de iones de sodio con un cátodo de óxido metálico en capas y un ánodo de carbono duro tenga unos costes de material aproximadamente un 25-30 % inferiores a los de una batería de fosfato de hierro y litio (LFP). Esta reducción de costes se debe principalmente a la sustitución del litio y el cobre por sodio y aluminio, más asequibles, lo que ofrece una reducción de costes de alrededor del 12 %, en gran parte debido al uso del aluminio como colector de corriente.

Sin embargo, la estructura de costes está influenciada por varios factores. Los principales factores de coste de cualquier batería son los materiales de los electrodos, y el carbono duro se perfila como el principal material de ánodo para las baterías de iones de sodio. Aunque el carbono duro ofrece una ventaja de coste sobre el grafito, tiene una densidad menor, lo que significa que se necesita más electrolito para el mismo material activo, lo que aumenta el coste y la masa. Además, el carbono duro tiende a ser más caro que el grafito natural, y ciertas variantes presentan un rendimiento inferior.

El futuro de las baterías de iones de sodio y su capacidad para reducir el precio de las de iones de litio sigue siendo un tema de gran debate. Mientras que el coste de las baterías de iones de litio sigue disminuyendo, el plazo para que la tecnología de iones de sodio pueda igualar o superar estos precios sigue siendo especulativo. IDTechEx considera que los avances en ingeniería, en lugar de simplemente aumentar la producción, serán clave para reducir los costes de las baterías de iones de sodio.

Si los precios del litio se mantienen cerca de los mínimos históricos, las baterías de iones de sodio tienen un camino más estrecho para llegar a ser competitivas en costes en la próxima década. Sin embargo, con los continuos avances de la ingeniería, las baterías de iones de sodio podrían surgir como una tecnología complementaria, ofreciendo valor en aplicaciones específicas en las que la reducción de costes y la disponibilidad de materiales son primordiales.

Autor: Shazan Siddiqi, analista tecnológico sénior de IDTechEx