Hacia una batería mejor
Científicos de materiales descubren la fuente de degradación de las baterías de sodio
Las baterías alimentan nuestras vidas: dependemos de ellas para que nuestros teléfonos móviles y portátiles no dejen de sonar y nuestros coches híbridos y eléctricos en la carretera. Pero la adopción cada vez mayor de las baterías de iones de litio más comúnmente usadas puede llevar a un aumento en el costo y a una posible escasez de litio, razón por la cual se están investigando intensamente las baterías de iones de sodio como un posible reemplazo. Se desempeñan bien, y el sodio, un metal alcalino estrechamente relacionado con el litio, es barato y abundante.
Una ilustración muestra la degradación inducida por hidrógeno de una batería de iones de sodio: (1) Cuando el hidrógeno está presente (marcado con un círculo en negro), (2) un átomo de Mn (púrpura) puede moverse de la capa de MnO2 a la capa de Na (amarillo); (3) el Mn puede entonces moverse dentro de la capa de Na, y se perderá.
Hartwin Peelaers
¿El desafío? Las baterías de iones de sodio tienen una vida útil más corta que las de sus hermanos a base de litio.
Ahora, el científico de materiales computacionales de la UC Santa Bárbara Chris Van de Walle y sus colegas han descubierto una razón para esta pérdida de capacidad en las baterías de sodio: la presencia involuntaria de hidrógeno, que conduce a la degradación del electrodo de la batería. Van de Walle y los coautores Zhen Zhu y Hartwin Peelaers publicaron sus hallazgos en la revista Chemistry of Materials.
"El hidrógeno está comúnmente presente durante la fabricación del material del cátodo, o puede ser incorporado desde el ambiente o desde el electrolito", dijo Zhu, quien ahora está en Google. "Se sabe que el hidrógeno afecta fuertemente las propiedades de los materiales electrónicos, así que teníamos curiosidad acerca de su efecto sobre el NaMnO2 (dióxido de manganeso sódico), un material catódico común para las baterías de iones de sodio." Para estudiar esto, los investigadores utilizaron técnicas computacionales que son capaces de predecir los efectos estructurales y químicos que surgen de la presencia de impurezas.
El profesor Peelaers, ahora de la Universidad de Kansas, describió los hallazgos clave: "Rápidamente nos dimos cuenta de que el hidrógeno puede penetrar muy fácilmente en el material, y que su presencia permite que los átomos de manganeso se desprendan de la espina dorsal de óxido de manganeso que mantiene unido al material. Esta eliminación de manganeso es irreversible y conduce a una disminución de la capacidad y, en última instancia, a la degradación de la batería".
Los estudios se realizaron en el Grupo de Materiales Computacionales de Van De Walle en la Universidad de California en Santa Bárbara.
"Investigaciones anteriores habían mostrado que la pérdida de manganeso podía ocurrir en la interfase con el electrolito o podría estar asociada con una transición de fase, pero no identificó realmente un desencadenante", aseguró Van de Walle. "Nuestros nuevos resultados muestran que la pérdida de manganeso puede ocurrir en cualquier parte del material, si el hidrógeno está presente. Debido a que los átomos de hidrógeno son tan pequeños y reactivos, el hidrógeno es un contaminante común en los materiales. Ahora que su impacto perjudicial ha sido señalado, se pueden tomar medidas durante la fabricación y encapsulación de las baterías para suprimir la incorporación de hidrógeno, lo que debería conducir a un mejor rendimiento".
De hecho, los investigadores sospechan que incluso las ubicuas baterías de iones de litio pueden sufrir los efectos nocivos de la incorporación involuntaria de hidrógeno. Si esto causa menos problemas porque los métodos de fabricación están más avanzados en este sistema de materiales maduros, o porque hay una razón fundamental para que las baterías de litio sean más resistentes al hidrógeno, no está claro en la actualidad, y será un área de investigación futura.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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