Un estudio proporciona una nueva orientación para el diseño de baterías de iones de sodio, que se perfilan como un complemento menos costoso y más ecológico para las baterías de litio.
Batería – foto ilustrativa. Crédito de la imagen: Pixabay (Licencia gratuita de Pixabay)
A medida que aumenta la necesidad mundial de almacenamiento de energía, las baterías de iones de sodio están surgiendo como un complemento menos costoso y más ecológico de las baterías de litio. La investigación realizada por ingenieros de la Universidad de Brown arroja nueva luz sobre cómo se comporta el sodio dentro de estas baterías, proporcionando nuevas especificaciones de diseño para materiales de ánodo que maximizan la estabilidad y la densidad de energía de las baterías de iones de sodio.
«Este trabajo nos ayuda a comprender el mecanismo de almacenamiento de sodio en materiales de carbono para baterías de iones de sodio», dijo Lincoln Mtemeri, becario postdoctoral presidencial en ingeniería en Brown, quien dirigió el estudio. «Esto proporciona algunas pautas para sintetizar los materiales anódicos deseados para estas baterías que maximicen el rendimiento general».
La investigación se publica en Baterías EES.
Las baterías de iones de litio se utilizan actualmente en la mayor parte de los vehículos eléctricos y electrónicos recargables. Funcionan bien, pero la creciente demanda de almacenamiento de energía, particularmente para agregar resiliencia a las redes eléctricas, requiere opciones adicionales. Los iones de sodio ofrecen una alternativa con algunas ventajas potenciales importantes. El sodio es barato y abundante, lo que podría reducir los costos de producción y la necesidad de una minería destructiva.
Sin embargo, la comercialización de baterías de iones de sodio está en sus inicios y los investigadores todavía están modificando el diseño básico. Una pregunta pendiente es qué estructura de material funciona mejor como ánodo de iones de sodio: el lado de la batería que almacena átomos de sodio durante la carga. Los ánodos de iones de litio generalmente están hechos de grafito, pero las investigaciones han demostrado que el grafito funciona mal para el almacenamiento de sodio. Por eso los científicos han recurrido al “carbono duro”, un material que se puede fabricar calentando cualquier cantidad de materiales que contienen carbono, desde madera hasta azúcar.
«Si preguntas a 10 personas diferentes cuál es la estructura del carbono duro, obtendrás 10 respuestas diferentes», dijo Yue Qi, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y coautor del estudio. «Las estructuras ambiguas son un problema importante para el diseño de materiales de ánodo debido a la falta de conocimiento de la relación estructura-propiedad».
Qi es subdirector de Brown’s Iniciativa para la Energía Sostenible, que se centra en el desarrollo de energías renovables, combustibles y materiales sostenibles y tecnologías de eficiencia energética.
Investigaciones anteriores sugieren que el almacenamiento de sodio probablemente ocurre en pequeños poros que se forman en estructuras duras de carbono. Pero no se sabía exactamente cómo se produce ese almacenamiento, o cómo el tamaño de los poros podría mejorarlo. Para este nuevo estudio, Mtemeri investigó un material de carbono conocido como carbono templado con zeolita (ZTC), que puede fabricarse con una red bien definida de nanoporos. Utilizando ZTC como modelo para la estructura de los poros de carbono duro y un algoritmo personalizado para simular el llenado de los poros, Mtemeri utilizó una técnica computacional llamada teoría funcional de la densidad para investigar el comportamiento del sodio dentro de los nanoporos.
La investigación demostró que a medida que los átomos de sodio gravitan hacia los poros, primero recubren las paredes de cada poro con enlaces iónicos. Una vez cubiertas las paredes, átomos de sodio adicionales llenan el centro del poro en grupos metálicos. Los investigadores afirman que los modos duales de almacenamiento de sodio (iónico a lo largo de las paredes y metálico hacia los centros de los poros) son críticos. La mezcla de sodio iónico y metálico ayuda a mantener bajo el voltaje del ánodo, lo que aumenta el voltaje general de la batería (el voltaje general de una batería es igual al voltaje del cátodo menos el voltaje del ánodo, por lo que un voltaje de ánodo más bajo es mejor). Mientras tanto, el sodio iónico previene el enchapado de sodio, una condición que puede crear cortocircuitos entre los poros del ánodo.
«Esto nos ayuda a determinar el tamaño óptimo de los poros», dijo Mtemeri. «Demostramos que un tamaño de poro de alrededor de un nanómetro mantiene el buen equilibrio de ionicidad y metalicidad que queremos».
Los hallazgos, dicen los investigadores, ofrecen algunas de las primeras especificaciones de diseño concreto para fabricar ánodos de carbono duro (o cualquier material de carbono con este tipo de estructura porosa) en el laboratorio. Esto podría ayudar a allanar el camino para el futuro uso comercial de baterías de iones de sodio.
«El sodio es 1.000 veces más abundante que el litio, lo que lo convierte en una opción más sostenible», afirmó Qi. «Ahora entendemos exactamente qué características de los poros son importantes y eso nos permite diseñar materiales de ánodo en consecuencia».
Fuente: Universidad marrón
!function(f,b,e,v,n,t,s){if(f.fbq)return;n=f.fbq=function(){n.callMethod?
n.callMethod.apply(n,arguments):n.queue.push(arguments)};if(!f._fbq)f._fbq=n;
n.push=n;n.loaded=!0;n.version=’2.0′;n.queue=[];t=b.createElement(e);t.async=!0;
t.src=v;s=b.getElementsByTagName(e)[0];s.parentNode.insertBefore(t,s)}(window,
document,’script’,’https://connect.facebook.net/en_US/fbevents.js’);
fbq(‘init’, ‘1254095111342376’);
fbq(‘track’, ‘PageView’);
Publicado anteriormente en The European Times.
