Un nuevo diseño de ánodos con núcleo aumenta significativamente el rendimiento de las baterías de iones de sodio
Los investigadores recubren carbono poroso con una capa similar a un filtro que permite el paso de iones de sodio al tiempo que mantiene alejadas las moléculas electrolíticas perturbadoras
Las baterías de iones de sodio se consideran una alternativa prometedora y sostenible a las de iones de litio. Sin embargo, las elevadas pérdidas de almacenamiento durante el primer ciclo de carga han frenado su desarrollo hasta ahora. Investigadores del Instituto Federal de Investigación y Ensayo de Materiales (BAM) han desarrollado un diseño de ánodos que combina eficiencia y alta capacidad de almacenamiento.
La pérdida irreversible de capacidad de almacenamiento durante la primera carga -mientras la batería aún se está fabricando- se debe a una reacción química entre el ánodo y el electrolito, el líquido conductor de la batería. Durante este proceso, las moléculas del electrolito se descomponen en el ánodo de carbono duro y penetran en sus poros. Ocupan "espacios vacíos" que en realidad están destinados al almacenamiento de iones de sodio. Este proceso sólo se detiene una vez que se ha formado una película protectora estable en el ánodo.
La película protege el ánodo de la descomposición del electrolito, pero consume parte de la energía almacenada, ya que está compuesta en parte por iones de sodio. Por tanto, aglutina los portadores de carga responsables del transporte de carga en la pila.
Se necesita un nuevo material para el ánodo
Este problema apenas se da en las baterías de iones de litio porque la capa protectora se forma más fácilmente en sus densos ánodos de grafito, lo que significa que la eficiencia de la batería suele superar el 90%. Sin embargo, el sodio no puede almacenarse en el grafito. Por ello, este tipo de baterías suele requerir un material de ánodo diferente, y los llamados carbonos duros han demostrado ser la mejor opción en este caso, salvo por las desventajas antes mencionadas durante el primer proceso de carga.
Innovador diseño del núcleo
Para resolver este problema, el equipo de BAM desarrolló un innovador diseño de núcleo para el ánodo. "Nos dimos cuenta de que en las baterías de iones de sodio no se pueden conseguir grandes capacidades de almacenamiento y una formación de película eficiente con un solo material", explica Tim-Patrick Fellinger, experto en materiales energéticos del BAM. "Esto se debe a que los materiales más adecuados para el almacenamiento son más propensos a sufrir pérdidas durante la formación de la película".
Los investigadores desarrollaron un proceso en el que recubren un carbono duro poroso y esponjoso como material de almacenamiento en el núcleo del ánodo con una capa muy fina que actúa como un filtro: permite el paso de los iones de sodio deseados pero mantiene fuera a las moléculas perturbadoras del electrolito. Esto preserva la capacidad de almacenamiento del ánodo y permite que la batería mantenga su rendimiento durante muchos ciclos de carga. El material personalizado se basa en carbón activado, un material barato y respetuoso con el medio ambiente, lo que también hace que la tecnología sea económicamente atractiva. Los resultados se publican ahora en la revista Angewandte Chemie.
Mejora simultánea de la eficiencia y la capacidad de almacenamiento
Los materiales desarrollados en el estudio alcanzan ya una eficiencia inicial del 82% - sin recubrimiento, es del 18%. El equipo del BAM considera probables nuevos avances. "La separación de 'formación', el término técnico para la formación de la película, y almacenamiento permite la mejora simultánea de la eficiencia y la capacidad de almacenamiento mediante desarrollos de materiales separados. Hasta ahora, los avances en las baterías se han logrado principalmente mediante innovaciones materiales en el lado del cátodo. En este caso, estamos cerca de los límites teóricos. En cambio, con los materiales de los ánodos aún no se sabe dónde están esos límites y qué innovaciones en el desarrollo de materiales -palabra clave: materiales avanzados- pueden utilizarse para seguir avanzando", afirma Paul Appel, del equipo.
Perfeccionamiento en el Laboratorio de Baterías de Berlín
El material del ánodo se seguirá desarrollando en el Laboratorio de Baterías de Berlín (BBL), una colaboración entre BAM, el Centro Helmholtz de Berlín y la Universidad Humboldt de Berlín. El Laboratorio de Baterías de Berlín reúne los conocimientos de vanguardia de las tres instituciones de investigación en el campo de las tecnologías de baterías sostenibles y ofrece a la industria una plataforma única que acelera la traducción de las innovaciones en productos listos para el mercado.
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Publicación original
Paul Alexander Appel, Carsten Prinz, Jian Liang Low, Nahom Enkubahri Asres, Shu‐Han Wu, Annica Freytag, Jonas Krug von Nidda, Nader Amadeu de Sousa, Tim‐Patrick Fellinger; "Core‐Shell: Resolving the Dilemma of Hard Carbon Anodes by Sealing Nanoporous Particles With Semi‐Permeable Coatings"; Angewandte Chemie International Edition, 2026-1-22
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