31.08.2021 - Chalmers University of Technology

El grafeno de Janus abre las puertas a las baterías de iones de sodio sostenibles

Diez veces la capacidad energética del grafito estándar

En la búsqueda de un almacenamiento de energía sostenible, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) presentan un nuevo concepto para fabricar materiales de electrodos de alto rendimiento para baterías de sodio. Se basa en un nuevo tipo de grafeno para almacenar uno de los iones metálicos más comunes y baratos del mundo: el sodio. Los resultados demuestran que la capacidad puede equipararse a la de las actuales baterías de iones de litio.

Aunque los iones de litio funcionan bien para el almacenamiento de energía, el litio es un metal caro que plantea problemas de suministro a largo plazo y problemas medioambientales.

El sodio, en cambio, es un metal abundante y de bajo coste, y un ingrediente principal del agua de mar (y de la sal de cocina). Esto hace que las baterías de iones de sodio sean una alternativa interesante y sostenible para reducir nuestra necesidad de materias primas críticas. Sin embargo, un reto importante es aumentar la capacidad.

Con el nivel actual de rendimiento, las baterías de iones de sodio no pueden competir con las de iones de litio. Un factor limitante es el grafito, compuesto por capas apiladas de grafeno, que se utiliza como ánodo en las actuales baterías de iones de litio.

Los iones se intercalan en el grafito, lo que significa que pueden entrar y salir de las capas de grafeno y ser almacenados para el uso de la energía. Los iones de sodio son más grandes que los de litio e interactúan de forma diferente. Por tanto, no pueden almacenarse eficazmente en la estructura del grafeno. Pero los investigadores de Chalmers han ideado una forma novedosa de resolver este problema.

"Hemos añadido una molécula espaciadora en un lado de la capa de grafeno. Cuando las capas se apilan, la molécula crea un mayor espacio entre las hojas de grafeno y proporciona un punto de interacción, lo que conduce a una capacidad significativamente mayor", afirma el investigador Jinhua Sun, del Departamento de Ciencia Industrial y de los Materiales de Chalmers, y primer autor del artículo científico, publicado en Science Advances.

Diez veces la capacidad energética del grafito estándar

Normalmente, la capacidad de intercalación de sodio en el grafito estándar es de unos 35 miliamperios hora por gramo (mA h g-1). Esto es menos de una décima parte de la capacidad de intercalación de iones de litio en el grafeno. Con el nuevo grafeno, la capacidad específica para los iones de sodio es de 332 miliamperios hora por gramo, lo que se aproxima al valor del litio en el grafito. Los resultados también mostraron una reversibilidad total y una gran estabilidad de los ciclos.

"Fue realmente emocionante cuando observamos la intercalación de iones de sodio con una capacidad tan alta. La investigación está aún en una fase inicial, pero los resultados son muy prometedores. Esto demuestra que es posible diseñar capas de grafeno con una estructura ordenada que se adapte a los iones de sodio, haciéndolo comparable al grafito", afirma el profesor Aleksandar Matic del Departamento de Física de Chalmers.

El grafeno "divino" de Janus abre las puertas a las baterías sostenibles

El estudio fue iniciado por Vincenzo Palermo en su anterior cargo de vicedirector del Graphene Flagship, un proyecto financiado por la Comisión Europea y coordinado por la Universidad Tecnológica de Chalmers.

El nuevo grafeno presenta una funcionalización química asimétrica en las caras opuestas, por lo que suele llamarse grafeno Jano, en honor al antiguo dios romano Jano, de dos caras, asociado a las puertas y portales y a los primeros pasos de un viaje. En este caso, el grafeno Jano guarda una buena correlación con la mitología romana, abriendo potencialmente las puertas a las baterías de iones de sodio de alta capacidad.

"Nuestro material Janus está aún lejos de las aplicaciones industriales, pero los nuevos resultados demuestran que podemos diseñar las láminas ultrafinas de grafeno -y el diminuto espacio entre ellas- para el almacenamiento de energía de alta capacidad. Estamos muy contentos de presentar un concepto con metales rentables, abundantes y sostenibles", afirma Vincenzo Palermo, profesor afiliado del Departamento de Ciencia Industrial y de los Materiales de Chalmers.

Más información sobre el material: Grafeno Janus con una estructura única

El material utilizado en el estudio tiene una nanoestructura artificial única. La cara superior de cada hoja de grafeno tiene una molécula que actúa como espaciador y sitio de interacción activa para los iones de sodio. Cada molécula situada entre dos hojas de grafeno apiladas está conectada mediante un enlace covalente a la hoja de grafeno inferior e interactúa mediante interacciones electrostáticas con la hoja de grafeno superior. Las capas de grafeno también tienen un tamaño de poro uniforme, una densidad de funcionalización controlable y pocos bordes.

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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