En el floreciente panorama del almacenamiento de energía, las baterías de iones de sodio se han convertido en una alternativa prometedora a sus contrapartes de iones de litio, principalmente debido a la abundante disponibilidad de recursos de sodio a nivel mundial. Entre los diversos materiales que se están explorando para las baterías de iones de sodio, el fosfato de sodio y vanadio (Na₃V₂(PO₄)₃, abreviado como NVP ) ha ganado una atención significativa en los últimos tiempos.

La promesa de las baterías de iones de sodio

A medida que el mundo avanza hacia un futuro energético más sostenible, la demanda de soluciones de almacenamiento de energía eficientes y rentables se dispara. Las baterías de iones de litio, que actualmente dominan el mercado, se enfrentan a desafíos como las reservas limitadas de litio y los altos costos asociados a su extracción. El sodio, por otro lado, es el sexto elemento más abundante en la corteza terrestre y se encuentra ampliamente disponible en el agua de mar y las minas de sal. Esta abundancia convierte a las baterías de iones de sodio en una opción atractiva para el almacenamiento de energía a gran escala, incluyendo aplicaciones a escala de red y vehículos eléctricos.

NVP: Estructura y fundamentos

El NVP pertenece a la familia de los fosfatos polianiónicos. Presenta una estabilidad NASICON (Na Super Ionic CONductor) - estructura tridimensional. Esta estructura única ofrece varias ventajas. La estructura abierta de NASICON permite una rápida difusión de iones de sodio, creando canales de difusión rápida para la entrada y salida de estos iones durante los procesos de carga y descarga de la batería. Además, las fuertes interacciones de enlace covalente entre los grupos PO₄³⁻ contribuyen a la alta estabilidad estructural del NVP. Durante los ciclos de carga y descarga, el NVP experimenta solo un cambio de volumen relativamente pequeño, de aproximadamente el 8,26 %, lo cual es crucial para garantizar la estabilidad del ciclo a largo plazo de las baterías de iones de sodio.

Rendimiento electroquímico del NVP

En cuanto a su rendimiento electroquímico, la NVP presenta características distintivas. Durante la carga y la descarga, presenta dos plataformas electroquímicas prominentes. Una se encuentra cerca de 1,6 V, correspondiente al par redox V²⁺/V³⁺, y la otra, alrededor de 3,4 V, asociada a la reacción redox V³⁺/V⁴⁺. A 3,4 V, se produce una reacción bifásica reversible, representada por la ecuación Na₃V₂(PO₄)₃↔NaV₂(PO₄)₃, que puede proporcionar una capacidad específica de aproximadamente 118 mAh g⁻¹.

Sin embargo, al igual que muchos materiales de electrodos, el NVP también presenta limitaciones. Los tetraedros (PO₄) en la red del NVP presentan baja conductividad eléctrica, lo que aísla los átomos de V, resultando en una conductividad electrónica intrínseca deficiente. Además, durante ciclos repetidos de carga y descarga, el NVP es susceptible a tensiones estructurales y cambios de volumen significativos. Estos factores provocan una cinética de difusión de iones de sodio lenta, lo que limita gravemente su estabilidad y rendimiento en los ciclos, dificultando así su aplicación comercial generalizada.

Avances recientes en materiales basados en NVP

1. Modificación del material de carbono

Una de las estrategias más comunes para mejorar el rendimiento del NVP es la modificación del material de carbono. Esto se puede lograr de dos maneras principales: recubrimiento de carbono y regulación de compuestos de carbono.

Recubrimiento de carbono: Recubrir la superficie del NVP con una capa de carbono conductor puede mejorar significativamente su conductividad electrónica. El recubrimiento de carbono actúa como puente para la transferencia de electrones, facilitando su movimiento durante la reacción electroquímica. Además, puede reducir las reacciones secundarias entre el NVP y el electrolito, mejorando así el rendimiento electroquímico general del NVP. Por ejemplo, investigaciones han demostrado que una fina capa de carbono sobre el NVP puede aumentar su capacidad de velocidad y su estabilidad cíclica.

Regulación de Compuestos de Carbono: La combinación de NVP con materiales a base de carbono, como nanotubos de carbono, grafeno y puntos de carbono, permite crear compuestos de NVP/C de alto rendimiento. Estos materiales a base de carbono poseen estructuras únicas y alta conductividad eléctrica. Al combinarse con NVP, pueden formar una red conductora, mejorando aún más la eficiencia de transferencia de electrones. Por ejemplo, los compuestos de NVP y grafeno han demostrado un rendimiento electroquímico mejorado, con una mejor retención de capacidad y un mejor rendimiento de velocidad en comparación con el NVP puro.

2. Dopaje iónico

El dopaje iónico es otro método eficaz para modificar el NVP. Al introducir iones extraños en la red del NVP, se pueden ajustar las propiedades del material.

Dopaje de un solo sitio: El dopaje puede ocurrir en diferentes sitios dentro de la estructura del NVP, como los sitios Na, V o PO₄³⁻. Por ejemplo, el dopaje en el sitio V con elementos como Fe, Mn o Co puede cambiar la estructura electrónica del NVP, mejorando potencialmente su conductividad eléctrica y rendimiento electroquímico. Algunos estudios han reportado que el NVP dopado con Fe muestra una mayor capacidad y estabilidad cíclica.

Dopaje multisitio: Existe un creciente interés en el dopaje multisitio, donde se introducen simultáneamente múltiples tipos de iones. Esto puede generar efectos sinérgicos más beneficiosos que el dopaje con un solo ion. Por ejemplo, se ha demostrado que el co-dopaje con K y Co en NVP aumenta la capacidad específica. En un estudio, el material preparado K₀.₁Na₂.₉₅V₁.₉₅Co₀.₀₅(PO₄)₃ exhibió una alta capacidad específica de 107,5 mA·h/g a una densidad de corriente de 1 C, superior a la del NVP puro (99,2 mA·h/g a 1 C), y conservó el 70,41 % de su capacidad después de 500 ciclos. El co-dopaje aumentó el volumen de la celda unitaria, acelerando la transferencia de Na⁺ y mejorando el rendimiento electroquímico del material.

3. Ingeniería de nanoestructuras

El control de la nanoestructura del NVP también es un área de investigación activa. Mediante la creación de materiales de NVP con nanoestructuras únicas, como nanocables/nanofibras unidimensionales, nanoláminas/nanoplacas bidimensionales y nanoesferas/estructuras jerárquicas porosas/huecas tridimensionales, se puede mejorar significativamente el rendimiento de la velocidad y la estabilidad del ciclo.

Nanoestructuras 1D: Los nanocables o nanofibras 1D de NVP presentan una alta relación de aspecto, lo que puede acortar la trayectoria de difusión de los iones de sodio. Esto permite un transporte iónico más rápido, mejorando la capacidad de velocidad del material. Además, la alta relación superficie-volumen de las nanoestructuras 1D puede aumentar el área de contacto con el electrolito, facilitando la

reacción electroquímica.

Nanoestructuras 2D: Las nanoláminas o nanoplacas 2D de NVP también ofrecen ventajas. Pueden proporcionar una gran superficie para el almacenamiento de iones de sodio y permitir una rápida difusión de iones en dirección planar. Algunos estudios han reportado que las nanoláminas 2D de NVP muestran un excelente rendimiento de velocidad y estabilidad cíclica.

Nanoestructuras 3D: Las nanoesferas 3D o estructuras jerárquicas porosas/huecas de NVP pueden amortiguar los cambios de volumen durante los ciclos de carga y descarga. La estructura porosa también puede alojar el electrolito, mejorando la eficiencia de la transferencia de iones. Estas nanoestructuras 3D tienen el potencial de mejorar el rendimiento general de los electrodos basados en NVP.

Aplicaciones de NVP -Baterías a base de sodio

1. Almacenamiento de energía a escala de red

El almacenamiento de energía a escala de red es una de las aplicaciones más prometedoras para las baterías de iones de sodio basadas en NVP. Con la creciente penetración de fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, en la red eléctrica, existe una creciente necesidad de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala para equilibrar el suministro eléctrico intermitente. Las baterías basadas en NVP, con su potencial de alta densidad energética, larga vida útil y bajo costo (gracias a la abundancia de sodio), pueden desempeñar un papel crucial en el almacenamiento del exceso de electricidad generada durante los períodos de máxima producción y su liberación durante los períodos de alta demanda. Por ejemplo, en algunas regiones con parques solares a gran escala, se podrían instalar sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de sodio basadas en NVP para almacenar la electricidad generada durante el día y utilizarla por la noche.

2. Vehículos eléctricos

Aunque las baterías de iones de litio dominan actualmente el mercado de vehículos eléctricos (VE), las baterías de iones de sodio basadas en NVP podrían ser una opción viable para ciertos tipos de VE en el futuro. Sus ventajas en términos de costo y seguridad las hacen atractivas, especialmente para VE de autonomía baja a media. Algunos investigadores están explorando maneras de mejorar la densidad energética y el rendimiento energético de las baterías basadas en NVP para satisfacer los requisitos de las aplicaciones de VE. Por ejemplo, al optimizar aún más la estructura y las propiedades electroquímicas del material, podría ser posible desarrollar baterías basadas en NVP que puedan proporcionar suficiente autonomía y rendimiento para VE de desplazamiento urbano.

3. Electrónica de consumo

En el ámbito de la electrónica de consumo, las baterías de iones de sodio basadas en NVP también podrían encontrar aplicaciones. Dada la continua demanda de baterías más duraderas y asequibles para dispositivos como teléfonos inteligentes, tabletas y portátiles, las baterías basadas en NVP podrían ofrecer una solución rentable. Su voltaje relativamente alto y su buena vida útil las hacen idóneas para alimentar estos dispositivos electrónicos portátiles. Además, las ventajas de seguridad de las baterías de iones de sodio, como la reducción del riesgo de fugas térmicas en comparación con algunas baterías de iones de litio, podrían ser un beneficio adicional para las aplicaciones de electrónica de consumo.

Desafíos y perspectivas futuras

A pesar del importante progreso logrado en la investigación de baterías de iones de sodio basadas en NVP, aún quedan varios desafíos por superar.

Producción rentable: Si bien el sodio es abundante, desarrollar procesos de fabricación rentables para baterías basadas en NVP sigue siendo un reto. Aumentar la producción de materiales de NVP de alta calidad manteniendo los costos bajos es crucial para su éxito comercial.

Optimización del rendimiento: Se requieren mejoras adicionales en la densidad energética, el rendimiento de la tasa de descarga y la estabilidad cíclica de las baterías basadas en NVP. Esto requiere investigación continua en nuevas estrategias de modificación de materiales e interfaces electrodo-electrolito.

Estandarización e integración: Establecer estándares industriales para baterías de iones de sodio basadas en NVP e integrarlas en los sistemas de energía y almacenamiento existentes también serán pasos importantes para su adopción generalizada.

De cara al futuro, el desarrollo de baterías de iones de sodio basadas en NVP es muy prometedor. Gracias a la investigación y el desarrollo continuos, estas baterías podrían convertirse en un actor clave en el mercado global de almacenamiento de energía, contribuyendo a un futuro energético más sostenible y fiable. La exploración de nuevos elementos dopantes, compuestos basados en carbono y diseños de nanoestructuras probablemente conducirá a mejoras adicionales en el rendimiento de los materiales basados en NVP. Además, la colaboración entre el mundo académico, las instituciones de investigación y los actores de la industria será esencial para acelerar la comercialización de las baterías de iones de sodio basadas en NVP y aplicar sus beneficios a una amplia gama de aplicaciones.