Baterías de iones de sodio: nuevo mecanismo de almacenamiento para materiales catódicos
Un nuevo enfoque aporta una nueva perspectiva al diseño de baterías de alta eficiencia y carga rápida
Las baterías de Li-ion y Na-ion funcionan mediante un proceso denominado intercalación, en el que los iones se almacenan e intercambian entre dos electrodos químicamente diferentes. En cambio, la cointercalación, un proceso en el que se almacenan simultáneamente iones y moléculas de disolvente, se ha considerado tradicionalmente indeseable por su tendencia a provocar un rápido fallo de la batería. En contra de esta opinión tradicional, un equipo internacional de investigación dirigido por Philipp Adelhelm ha demostrado ahora que la cointercalación puede ser un proceso reversible y rápido para los materiales catódicos de las baterías de Na-ion. El método de almacenamiento conjunto de iones y disolventes en materiales catódicos ofrece un nuevo asidero para diseñar baterías de alta eficiencia y capacidad de carga rápida. Los resultados se publican en Nature Materials.
El rendimiento de las baterías depende de muchos factores. En concreto, depende de cómo se almacenan los iones en los materiales de los electrodos y de si pueden volver a liberarse. Esto se debe a que los portadores de carga (iones) son relativamente grandes y pueden provocar un cambio de volumen no deseado cuando migran al interior del electrodo. Este efecto, conocido como "respiración", perjudica la vida útil de la pila. El cambio de volumen es especialmente pronunciado cuando los iones de sodio migran junto con moléculas del electrolito orgánico. Esta cointercalación se ha considerado perjudicial para la vida útil de la pila. Sin embargo, un equipo internacional de investigación dirigido por Philipp Adelhelm ha investigado ahora materiales catódicos que permiten la cointercalación de iones y moléculas de disolvente, lo que posibilita procesos de carga y descarga más rápidos.
Cointercalación en ánodos
En estudios anteriores, el equipo investigó la cointercalación en ánodos de grafito, demostrando que el sodio podía migrar rápida y reversiblemente dentro y fuera del electrolito a lo largo de muchos ciclos cuando se combinaba con moléculas de glima. Sin embargo, seguía siendo difícil probar el mismo concepto en materiales catódicos. Para afrontar este reto, el equipo exploró una serie de sulfuros de metales de transición estratificados e identificó procesos de cointercalación de disolventes en materiales catódicos. El proceso de cointercalación podría utilizarse para desarrollar baterías muy eficientes y de carga rápida. Por eso queríamos investigar este tema con más detalle", afirma el profesor Philipp Adelhelm.
Cointercalación en cátodos: un proceso diferente
El estudio incorpora investigaciones detalladas de los últimos tres años: La Dra. Yanan Sun llevó a cabo mediciones de cambio de volumen en los materiales catódicos, realizó análisis estructurales con radiación sincrotrón en PETRA III en DESY, e investigó las propiedades electroquímicas para una variedad de combinaciones de electrodos y disolventes. Con el apoyo de la teoría, en colaboración con el Dr. Gustav Åvall, se pudieron identificar parámetros importantes que ayudan a predecir las reacciones de cointercalación en el futuro.
Ventaja: Cinética superrápida
El proceso de cointercalación en los materiales catódicos difiere mucho del que se produce en los ánodos de grafito", explica Yanan Sun. Mientras que las reacciones de cointercalación en los ánodos de grafito suelen dar lugar a electrodos de baja capacidad, la pérdida de capacidad causada por la cointercalación en los materiales catódicos investigados es muy baja. Sobre todo, algunos materiales catódicos ofrecen una gran ventaja: la cinética es superrápida, casi como la de un supercondensador", subraya Sun. subraya Sun.
Amplio panorama químico para nuevos materiales
La verdadera belleza de las reacciones de cointercalación radica en su capacidad para ofrecer un vasto panorama químico para el diseño de nuevos materiales estratificados para diversas aplicaciones", afirma Adelhelm. Explorar el concepto de cointercalación era extremadamente arriesgado porque va en contra de los conocimientos clásicos sobre pilas. Por eso me sentí muy agradecido al recibir financiación para esta idea del Consejo Europeo de Investigación a través de una ERC Consolidator Grant". Los resultados son fruto de la colaboración de muchas personas con talento y no habrían sido posibles sin las oportunidades que nos brindó el grupo conjunto de investigación sobre análisis operando de baterías financiado por el Helmholtz-Zentrum Berlin y la Universidad Humboldt", añade. El recientemente anunciado Laboratorio de Baterías de Berlín entre HZB, HU y BAM ofrecerá aún más oportunidades para proyectos de investigación conjuntos en Berlín".
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Publicación original
Yanan Sun, Gustav Åvall, Shu-Han Wu, Guillermo A. Ferrero, Annica Freytag, Pedro B. Groszewicz, Hui Wang, Katherine A. Mazzio, Matteo Bianchini, Volodymyr Baran, Sebastian Risse, Philipp Adelhelm: Nature Materials (2025): Solvent co-intercalation in layered cathode active materials for sodium-ion batteries
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