Diseño asimétrico de sulfonamidas que permite celdas pouch de ion-sodio de alto voltaje en amplio rango de temperatura

Por qué importan las baterías más frías y seguras

Desde coches eléctricos en invierno hasta baterías de respaldo para parques eólicos y solares, dependemos cada vez más de acumuladores recargables que funcionen con seguridad en todas las estaciones. La tecnología dominante actual, la batería de ion-litio, afronta límites de coste y recursos, por lo que los científicos exploran las baterías de ion-sodio como alternativa más económica. Pero las celdas de sodio tienen dificultades a temperaturas muy bajas y a altos voltajes de carga, sobre todo en formatos prácticos y de gran tamaño como las celdas pouch. Este estudio presenta un nuevo líquido dentro de la batería, llamado electrolito, que mantiene las baterías de ion-sodio operativas en un amplio rango de temperaturas y además las hace más estables y seguras.

Rediseñando el líquido dentro de la batería

Los autores se centran en las moléculas disolventes que disuelven la sal de sodio y transportan los iones entre los electrodos. Los disolventes convencionales pueden congelarse o volverse lentos en el frío, y también pueden degradarse cuando la batería se carga a altos voltajes. El equipo diseñó un nuevo disolvente sulfonamida, N-etil-N-metil-trifluorometanosulfonamida (EMTMSA), con una asimetría deliberada: un grupo lateral corto y otro ligeramente más largo crean un pequeño «quiebro» en la molécula. Ese giro geométrico evita que las moléculas se empaqueten ordenadamente en un cristal al enfriarse, lo que confiere a la EMTMSA un punto de fusión muy bajo, de aproximadamente menos 86 grados Celsius. Al mismo tiempo, se mantiene estable bajo los altos voltajes necesarios para aumentar la energía de la batería.

Manteniendo los iones móviles en el frío extremo

Al combinar EMTMSA con dos disolventes carbonatos comunes y una sal de sodio, los investigadores crearon un electrolito que permanece líquido y conductor incluso en frío extremo. Experimentos de resonancia magnética nuclear mostraron que el movimiento y la rotación molecular en esta mezcla siguen activos incluso a bajas temperaturas, en contraste con una mezcla carbonatada estándar que se vuelve espesa y lenta. El electrolito basado en EMTMSA favorece que los iones sodio formen pares estrechos y pequeños cúmulos con los aniones de la sal. Estas estructuras debilitan la interacción entre iones y disolvente, facilitando que los iones se desprendan de su cáscara de disolvente y pasen a los electrodos, lo cual es crucial cuando la batería está fría.

Superficies estables en ambos lados de la batería

El rendimiento de la batería a lo largo de muchos ciclos de carga y descarga depende de finas capas que se forman de forma natural donde el líquido se encuentra con los electrodos sólidos. Con el electrolito EMTMSA, estas capas resultan delgadas, uniformes y ricas en compuestos inorgánicos como fluoruro de sodio. En el electrodo negativo de carbono duro, esta película estable evita el depósito indeseado de sodio metálico en forma de crecimientos tipo musgo, que de otro modo consumirían material activo y aumentarían la resistencia. En el electrodo positivo NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2, el líquido a base de EMTMSA forma una capa protectora compacta que limita la pérdida de oxígeno y la disolución de metales, evitando el desarrollo de una región superficial espesa y de mala conductividad tipo «sal de roca» que puede asfixiar el transporte iónico.

Rendimiento en celdas de tamaño real

De forma crucial, el equipo probó su electrolito no solo en celdas diminutas de laboratorio, sino en celdas pouch a escala de amperio-hora con electrodos gruesos y de alta carga similares a los necesarios para dispositivos prácticos. Con el electrolito basado en EMTMSA, estas celdas pouch de ion-sodio conservaron cerca del 70 por ciento de su capacidad a temperatura ambiente incluso a menos 60 grados Celsius y más del 40 por ciento a menos 70 grados, mientras que las celdas con líquidos carbonatados estándar fracasaron casi por completo a tales bajas temperaturas. A temperatura ambiente y con voltajes de corte elevados de 4,15 y 4,2 voltios frente a sodio, las celdas EMTMSA mantuvieron el 90,0 y el 81,6 por ciento de su capacidad inicial después de 1500 y 1000 ciclos, respectivamente, superando a las formulaciones convencionales. El nuevo líquido también resistió la ignición y retrasó el inicio de la fuga térmica en pruebas de seguridad.

Qué significa esto para las futuras baterías de sodio

Para un público no especialista, la conclusión es que ajustar la forma de las moléculas disolventes dentro de la batería puede tener un gran impacto en su funcionamiento en condiciones adversas. Al introducir un simple quiebro en una molécula de sulfonamida, los investigadores crearon un electrolito que permanece fluido en frío extremo, tolera altos voltajes de carga y forma capas protectoras que mantienen ambos electrodos sanos a lo largo de muchos ciclos. Este enfoque hace que las celdas pouch de ion-sodio sean más eficientes, duraderas y seguras en un amplio rango de temperaturas, acercándolas un paso más al uso práctico en almacenamiento energético a gran escala y otras aplicaciones donde el coste y la robustez son clave.

Cita: Cui, X., Li, Q., Chang, G. et al. Asymmetric sulfonamide design enabling high-voltage sodium-ion pouch cells in wide temperature. Nat Commun 17, 4378 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70592-z

Palabras clave: baterías de ion-sodio, diseño de electrolitos, baterías a baja temperatura, seguridad en baterías, celdas pouch