Un equipo de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) logró un avance en la tecnología de baterías de sodio de estado sólido al desarrollar un aditivo económico que extiende su vida útil, mejora la seguridad y evita fallas críticas. Se trata del nitruro de carbono grafítico (GCN), cuya incorporación permite que las baterías funcionen hasta 2.000 horas sin presentar fallos.
Las baterías de sodio captaron atención por su bajo costo y la abundancia de este elemento frente al litio. No obstante, la mayoría de las baterías comerciales de sodio aún emplean electrolitos líquidos inflamables, lo que eleva el riesgo de fugas o incendios. Los electrolitos poliméricos sólidos, más seguros en teoría, suelen mostrar baja conductividad iónica y problemas de estabilidad en el contacto con los electrodos metálicos de sodio.
Uno de los principales obstáculos ha sido la formación de dendritas, estructuras metálicas en forma de aguja que crecen dentro de la batería hasta provocar cortocircuitos y fallas irreparables. Este fenómeno limita tanto la seguridad como la durabilidad de las celdas actuales.
El papel del nitruro de carbono grafítico (GCN)
La innovación del equipo de la NUS se centró en el uso de GCN, un material que se obtiene al calentar urea a 550 °C. Este aditivo se mezcla con una película de electrolito polimérico compuesta de óxido de polietileno y sal de sodio.
De acuerdo con el profesor asociado Palani Balaya, “lo que hace poderoso nuestro enfoque es su simplicidad. El GCN puede producirse a partir de uno de los precursores químicos más accesibles del mundo e incorporarse en un sistema polimérico ya escalable”.
La adición de GCN reorganiza la estructura del polímero, lo que facilita el movimiento de los iones de sodio y refuerza la resistencia mecánica interna de la batería. El equipo investigador señaló que las láminas ultrafinas de GCN incrementan la conductividad iónica más del doble a 55 °C y elevan el número de transferencia de iones de sodio de 0,19 a 0,51.
Resistencia mejorada y mayor vida útil
El desarrollo no solo mejoró la movilidad iónica, sino que también abordó el crecimiento de dendritas. El polímero modificado con GCN adquirió una resistencia mecánica tres veces superior a la versión sin aditivos, lo que le permite soportar la penetración de las dendritas y proteger la integridad de la batería. Además, el GCN ayuda a formar una capa protectora más estable sobre el sodio metálico, guía una deposición uniforme y evita la acumulación desigual que genera fallas.
Las pruebas del grupo de la NUS, detalladas en la revista ‘Advanced Functional Materials’, mostraron que el electrolito polimérico estándar falló tras 250 horas a una densidad de corriente de 0,1 mA cm⁻². En cambio, la versión mejorada funcionó de manera estable durante 1.000 horas bajo las mismas condiciones y superó las 2.000 horas a una densidad de 0,2 mA cm⁻².
Resultados en celdas reales y perspectivas
Los investigadores fabricaron baterías completamente sólidas con un cátodo de fosfato de vanadio y sodio y un ánodo de sodio metálico. A una tasa de carga-descarga de 0,5C, las celdas retuvieron el 95 % de su capacidad después de 500 ciclos y mantuvieron una eficiencia coulómbica de 99,97 %.
El equipo también demostró un modelo tipo pouch capaz de alimentar un LED incluso tras ser doblado, desplegado y cortado, lo que evidenció un aumento en seguridad y estabilidad mecánica.
Actualmente, los científicos de la NUS trabajan en baterías que operen de manera eficiente cerca de la temperatura ambiente y desarrollan arquitecturas apiladas bipolares para aumentar la densidad energética.
La universidad sostuvo que la simplicidad y el bajo costo del GCN lo convierten en un aditivo viable para una próxima generación de baterías de sodio, con mayor seguridad y durabilidad a bajo precio.
