El calcio podría ser clave para resolver problemas de estabilidad en las baterías de iones de sodio

Las baterías recargables son una parte fundamental del panorama tecnológico actual, ya que alimentan desde nuestros dispositivos personales hasta infraestructuras a gran escala. Aunque existen muchos tipos de baterías recargables, las baterías de iones de litio (LIBs) son, con diferencia, las más comunes, gracias a su excelente densidad energética, su larga vida útil y su baja tasa de autodescarga. Sin embargo, el litio es un elemento escaso y con una distribución muy desigual en el mundo, lo que ha impulsado la investigación en baterías hechas con otros materiales.

Durante la última década, los científicos se han enfocado intensamente en las baterías de iones de sodio (SIBs), que ofrecen una alternativa atractiva a las LIBs. La principal ventaja de las SIBs es la abundancia del sodio, presente en el agua de mar y mucho más económico y seguro que el litio. Esto hace que las SIBs sean una opción prometedora para el almacenamiento de energía a gran escala, como en redes de energía renovable. A pesar de estas cualidades prometedoras, las SIBs tienen sus desventajas. Uno de los principales desafíos es la estabilidad del material del cátodo en presencia de aire y agua, lo que puede degradar el rendimiento y la vida útil de la batería.

Mejora de la estabilidad al aire y el agua

En un estudio reciente, un equipo de investigación liderado por el Profesor Shinichi Komaba, los profesores asistentes Zachary T. Gossage y Changhee Lee, y el científico de Proyecto Shinichi Kumakura de la Universidad de Ciencia de Tokio (TUS), Japón, ha logrado un avance significativo para abordar esta limitación crítica de las SIBs. En el estudio, publicado en el Journal of Materials Chemistry A el 29 de agosto de 2025, presenta una nueva forma de mejorar la estabilidad al aire y al agua del compuesto Na₂/₃[Fe₁/₂Mn₁/₂]O₂ (NFM), una composición muy prometedora como material de cátodo para las SIBs tipo P2.

Su enfoque se basa en reemplazar algunos de los iones de sodio (Na) en el NFM con iones de calcio (Ca), una técnica conocida como "dopado". Aunque la concentración final de iones de Ca es baja en comparación con el peso total del electrodo (menos del 2%), el dopado puede tener un impacto significativo en varias propiedades. Los experimentos mostraron que el NFM dopado con Ca tenía un mejor rendimiento que el NFM regular, mientras mantenía una alta capacidad de descarga. Lo más importante es que el NFM dopado con Ca mostró una gran estabilidad al aire y al agua. Mientras que una exposición al aire de 2 días hacía que el NFM normal perdiera el 35% de su capacidad de descarga, no se observaron pérdidas en el NFM dopado con Ca.

Para comprender las razones detrás de estas mejoras, el equipo realizó un análisis detallado que reveló un comportamiento interesante del calcio en el NFM. “Según nuestros análisis de superficie, la mayor estabilidad parece deberse a una migración espontánea del Ca durante la exposición al aire, lo que conduce al desarrollo de una capa superficial protectora enriquecida en calcio que suprime los procesos de descomposición, como el intercambio Na⁺/H⁺ y la desintercalación de Na”, explica Komaba.

“Este mecanismo recién explorado parece ser bastante eficaz para mitigar las reacciones de degradación superficial en óxidos en capas”, añade. El equipo también señaló que el dopado con calcio mejoró la cristalinidad y aumentó el espaciamiento entre capas en el NFM, lo cual contribuye a un mejor rendimiento electroquímico. Además, la capa protectora protege al NFM durante el almacenamiento previo al ensamblaje de la batería.

Efectos protectores

Al descubrir los efectos protectores del dopado con calcio en el NFM, este estudio podría allanar el camino para la adopción generalizada de las SIBs. Los materiales a base de calcio son abundantes y pueden incorporarse fácilmente al NFM mediante técnicas de síntesis sin aumentar sustancialmente los costos. Esto beneficiaría significativamente a la generación de energía renovable al proporcionar una solución más sostenible y rentable para el almacenamiento de energía a gran escala.

Además, resolvería los problemas de escasez de litio, asegurando una cadena de suministro estable para baterías recargables utilizadas en una amplia gama de dispositivos eléctricos y electrónicos. “Creo que los resultados excepcionales obtenidos en tan poco tiempo por Monalisha Mahapatra, una estudiante de la India a través de JICA, se deben tanto a su arduo trabajo como al sistema de apoyo de todo el laboratorio”, destaca Komaba.

Se espera que estudios futuros en este campo permitan a los investigadores aprovechar al máximo el potencial del dopado en las SIBs.