Batería de litio frente a batería de sodio: Diferencias y ventajas

1.Introducción

¿Pueden las baterías de iones de sodio sustituir baterías de iones de litio y convertirse en la corriente dominante en el mercado de las baterías? Hablemos de las pilas de litio y las de sodio. Antes, también comparamos las diferencias entre las pilas de iones de litio y las pilas de níquel e hidruro metálico. Además, comparamos las pilas 21700 con las pilas de iones de litio 18650, con la esperanza de que puedas obtener información útil de ello.
Las soluciones energéticas están experimentando transformaciones, y las pilas portátiles también. En este artículo, le traemos un tipo de pila recargable, que se compara con los tipos de pilas más populares y se ha convertido en uno de los temas de moda en el sector de las pilas.
Este artículo presenta principalmente las baterías de litio y las de sodio. A pesar de que se ha investigado lo suficiente para hacer del sodio una mejor alternativa al litio en soluciones energéticas portátiles, la normalización y comercialización de las baterías de sodio apenas lleva unos años.

2.¿Qué es una batería de iones de sodio?

En general, las pilas de sodio son otro tipo de pilas recargables, con un principio de funcionamiento muy similar al de las pilas de litio; los iones se mueven entre el electrodo positivo y el negativo. ¿Por qué se considera el sodio una alternativa prometedora a las pilas de litio? La respuesta está en sus propiedades químicas. Dado que tanto el litio como el sodio son elementos metálicos y están más próximos en la tabla periódica, sus principales propiedades: electrones de valencia, capacidad de carga y reacciones de carga-descarga coinciden.

3.Principio de funcionamiento de la batería de sodio

Para entender el principio de funcionamiento de las pilas de sodio, debemos profundizar en su composición química. Como cualquier otra pila recargable, las pilas de sodio constan de cátodos, ánodos y materiales electrolíticos. Cuando el material activo se introduce en el electrolito, se produce la oxidación en el ánodo y el electrodo pierde electrones. Estos electrones se desplazan al cátodo, donde se produce una reacción de reducción. De este modo, se genera una corriente que aumenta el voltaje de la batería y, en última instancia, la carga.

4.¿Son prácticas las pilas de sodio?

Dado que el sodio es más abundante en la naturaleza que el litio, los electrodos de sodio, principal componente de las pilas de sodio, resultan más baratos, lo que convierte a este tipo de pilas en una opción más rentable que las de litio. En el debate entre baterías de litio y baterías de sodio, las ventajas relativas de las baterías de sodio sobre las de litio son las siguientes:

（1）Material catódico de aleación de sodio (hierro-níquel-manganeso), debido a la abundancia de sales de sodio baratas, su coste de materia prima es casi la mitad del de los materiales catódicos ternarios de las baterías de litio.
（2）A la misma concentración de electrolito, la conductividad de los materiales electrolíticos de sodio es 20% mayor que la de los materiales de litio, lo que los convierte en una opción más asequible para soluciones electrolíticas de baja concentración.
（3）Aunque la densidad energética de las baterías de sodio no puede compararse con la de las de iones de litio, su rentabilidad es significativa, lo que las convierte en sustitutivas de las tradicionales baterías de plomo-ácido.

5.Desventajas de las pilas de sodio

（1）Las pilas de sodio utilizan sobre todo disolventes orgánicos como materiales electrolíticos, lo que podría suponer un importante problema de seguridad, ya que estos disolventes orgánicos son muy inflamables y pueden provocar explosiones e incendios.
（2）La densidad volumétrica de energía de las pilas de sodio es menor debido a la presencia de moléculas de agua y grupos CN en su estructura cristalina, que liberan moléculas de HCN, lo que reduce la densidad. En el proceso de producción de las baterías se requieren más materiales auxiliares y costes de fabricación.

6.Qué es una batería de iones de litio

El tipo más común de batería recargable; las baterías de iones de litio constan principalmente de cuatro componentes. Cátodo, ánodo, electrolito y separador. El cátodo es la fuente de iones de litio, que determina el voltaje y la capacidad de estas baterías, mientras que el ánodo es responsable del flujo de corriente durante la carga de la batería.
Cuando está totalmente cargado, el ánodo almacena iones de litio. El electrolito actúa como camino entre el ánodo y el cátodo. Puede ser un disolvente, un aditivo o una sal. Por último, el separador se explica casi por sí mismo, ya que actúa como una barrera física entre el ánodo y el cátodo.
Como las baterías de iones de litio tienen una alta densidad energética, un tamaño compacto y un peso ligero, se han convertido en una opción popular para dispositivos electrónicos portátiles como ordenadores portátiles, tabletas, teléfonos inteligentes y herramientas eléctricas.

7.Principio de funcionamiento de la batería de iones de litio

Como ya se ha mencionado, las baterías de iones de litio constan de cuatro componentes básicos y funcionan mediante reacciones de oxidación-reducción que se producen por separado en el ánodo y el cátodo. Las cargas positivas salen del ánodo y se acumulan en el cátodo, generando corriente. Esta corriente fluye entre el colector y el colector negativo hasta el dispositivo que se está cargando (entre ambos), mientras que el separador impide que el ánodo y el cátodo entren en contacto para formar un cortocircuito.

8.¿Son prácticas las pilas de iones de litio?

（1）Para todos los dispositivos inteligentes y de alta tecnología en los que la sustitución de la batería es un inconveniente, las baterías de iones de litio han demostrado ser una buena opción porque tienen una vida útil más larga.
（2）Las baterías de iones de litio pueden soportar una amplia gama de temperaturas de funcionamiento, lo que las hace ideales para su uso en zonas de clima cálido y aplicaciones al aire libre.
（3）Y lo que es más importante, las baterías de iones de litio tienen una mayor densidad de potencia y una vida útil más larga, además de la capacidad de carga rápida y resistencia, lo que las hace superiores a las tecnologías de baterías tradicionales.

9.Desventajas de las baterías de iones de litio

（1）Las baterías de iones de litio suelen soportar altas temperaturas, pero no las bajas.
（2）El uso a baja temperatura de baterías de iones de litio da lugar a una baja capacidad, una atenuación severa y un bajo índice de ciclos.

10.Aplicaciones de las pilas de ión-litio y sodio

Las propiedades químicas de las baterías de iones de litio y de sodio determinan sus principales aplicaciones.
（1）Las baterías de iones de litio, por su alta densidad energética y tensión de funcionamiento, son las preferidas para cargar dispositivos electrónicos portátiles como sistemas de energía solar, vehículos recreativos, barcos, carritos de golf, etc.
（2）Por otra parte, las baterías de iones de sodio, debido a la abundancia de elementos sódicos en la naturaleza, su gran adaptabilidad al calor, su incombustibilidad y su alto valor energético, han demostrado ser una prometedora tecnología de futuro. Se utilizan en redes de energía, vehículos eléctricos y aplicaciones similares.

11.Gama de temperaturas de funcionamiento de las baterías de ión-litio y sodio

La temperatura de funcionamiento de las baterías de ión-litio y de sodio depende de la eficiencia de descarga y de la duración del ciclo. La temperatura de funcionamiento adecuada para las baterías de iones de sodio es de -40-+60℃, mientras que la de las baterías de iones de litio es de -20-60℃.

12.Diferencias entre las pilas de litio y las de sodio

Las principales diferencias entre las pilas de litio y las de sodio radican en su rendimiento y rango de temperaturas.
En cuanto a las características elementales, está claro que el litio tiene mejores propiedades electroquímicas que el sodio, lo que permite una mejor transferencia de energía. En resumen, se ha demostrado que las baterías de litio son superiores a las de sodio en cuanto a rendimiento y durabilidad.
Las baterías de sodio no sufren embalamiento térmico, lo que significa que son menos propensas al fuego y pueden funcionar eficazmente en ambientes fríos. En resumen, las baterías de iones de sodio ofrecen un rendimiento superior en un rango de temperaturas más amplio.

(1) Tamaño

Cuando hablamos del tamaño de las pilas de litio y las de sodio, debemos tener en cuenta dos factores importantes: la densidad de energía y la carga por unidad de volumen.
Generalmente, para almacenar la misma cantidad de energía, las baterías de iones de sodio tienen un tamaño mayor que las de iones de litio porque las de iones de sodio tienen menor densidad energética, lo que se traduce en una menor carga por unidad de volumen. Sin embargo, con los avances tecnológicos, esperamos mejorar la densidad energética tanto de las baterías de litio como de las de sodio, lo que nos permitiría ofrecer soluciones de baterías más pequeñas pero más potentes.

(2) Coste

Comparando los precios de las baterías de litio y las de sodio, aunque todavía queda mucho trabajo por hacer para comercializar las baterías de iones de sodio y generalizar su disponibilidad, se espera que el precio de las baterías de iones de sodio sea 30-40% inferior al de las baterías de iones de litio, su homólogo iónico.

13.Comparación del rendimiento de las pilas de litio y las pilas de sodio

Gracias a sus mejores propiedades electroquímicas y a su eficaz rendimiento de transferencia, las baterías de iones de litio superan a las de iones de sodio. Su mayor densidad energética y menor resistencia interna las convierten en la opción preferida para todos los dispositivos electrónicos portátiles que requieren recargas frecuentes.
En el debate entre baterías de litio y baterías de sodio, el precio de la batería y el impacto ambiental son consideraciones primordiales, en las que las baterías de iones de sodio ofrecen un rendimiento superior. Por ejemplo, en los dispositivos de almacenamiento en red, donde las baterías de gran capacidad requieren tiempos de almacenamiento más largos y frecuencias de carga más bajas, las baterías de iones de sodio son una buena opción.

14.¿Qué batería es más segura: ¿La de iones de litio o la de iones de sodio?

Al hablar de los factores de seguridad de las baterías de iones de litio y las baterías de iones de sodio, se han registrado numerosos casos de explosiones e incendios de baterías de iones de litio en todo el mundo. Además, esto se refiere principalmente a las baterías de óxido de litio y cobalto, pero no todas las baterías de iones de litio contienen materiales inseguros, como las baterías de fosfato de hierro y litio, que utilizan materiales seguros y respetuosos con el medio ambiente sin metales pesados tóxicos.
Por el contrario, las baterías de iones de sodio no requieren consideraciones especiales para su manipulación, uso y almacenamiento seguros, ya que su composición química más segura garantiza que las baterías nunca experimentarán fallos de este tipo.

15.¿Son mejores las pilas de sodio que las de litio?

Teniendo en cuenta la abundancia de sodio en la corteza terrestre en comparación con el litio, los científicos creen que en un futuro previsible podremos contar con el sodio, y será una alternativa más asequible, más económica y sostenible.
Sin embargo, se están llevando a cabo diversos tipos de investigación para concluir que las pilas de sodio son más respetuosas con el medio ambiente que las de litio, y las pruebas actuales son insuficientes para tomar una decisión definitiva.

16.¿Sustituirán las baterías de iones de sodio a las de iones de litio?

Dada la abundancia de sodio y sus propiedades químicas favorables, existe una gran oportunidad para que el sodio sustituya a las baterías de iones de litio como solución más barata y respetuosa con el medio ambiente. Si esto ocurre, las baterías de iones de sodio reducirán casi a la mitad el coste de sustitución de las baterías de iones de litio.
Sin embargo, las baterías de sodio no pueden sustituir por completo a las de iones de litio, ya que no son adecuadas para aplicaciones que requieren una alta densidad energética, como los teléfonos inteligentes, los ordenadores portátiles o las baterías marinas, entre otras.
Los vehículos de gran capacidad con menores requisitos de densidad energética siguen teniendo demanda en el mercado. En el futuro, las baterías de sodio como almacenamiento de energía distribuida y almacenamiento en red tendrán amplias perspectivas de aplicación.

17.¿Por qué no se utilizan baterías de iones de sodio?

Las baterías de iones de sodio tienen una desventaja de densidad energética en comparación con las de iones de litio (como las de fosfato de hierro y litio y óxido de manganeso). Además, no tienen mucha ventaja en cuanto a costes.
El uso de las baterías de iones de sodio no está muy extendido. En primer lugar, la cadena de suministro de las baterías de iones de sodio no está madura y hay muchos fallos potenciales de rendimiento. Las baterías de sodio no han obtenido una ventaja de costes significativa. A la hora de elegir entre baterías de iones de litio y de iones de sodio, los usuarios están más dispuestos a aceptar las baterías de iones de litio, más maduras.