Híbridos y Eléctricos

LABORATORIO NACIONAL ARGONNE

Un cátodo mejorado permite alargar la vida de las baterías de iones de sodio

Al rastrear los cambios en la estructura atómica del material del cátodo en tiempo real se ha descubierto la razón clave la pérdida de rendimiento de las baterías de iones de sodio.

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Los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne descubren la aparición de defectos en la estructura atómica del material del cátodo de las baterías de sodio que provocan una reducción de su rendimiento.

Una investigación del Laboratorio Nacional de Argonne, perteneciente al Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha permitido descubrir una manera de cortar la degradación que se produce en las baterías de iones de sodio durante los ciclos de carga y descarga. La aparición de defectos en su estructura atómica del material del cátodo provoca una reducción de su rendimiento. Al descubrir detalladamente como se produce esta degradación es posible fabricar cátodos de iones de sodio en los que no se produzcan estos efectos.

Uno de los candidatos más prometedores para sustituir a las baterías de litio, actualmente un estándar en el mercado son las de iones de sodio. Estas son particularmente atractivas debido a la abundancia de este material y a su menor coste. El sodio es un material que se obtiene de los océanos o de la corteza terrestre y por lo tanto es barato, abundante y sostenible, lo que lo convierte en un gran candidato para el almacenamiento de energía a gran escala. Es el sexto elemento más abundante en la tierra: es ilimitado y sostenible ya que se cosecha, no se extrae.

Aunque las baterías de sodio no tienen tanta energía como las baterías de litio, cuando se ciclan a alto voltaje (4,5 voltios), pueden aumentar considerablemente la cantidad de energía que se puede almacenar en un peso o volumen determinado. Sin embargo, dan problemas de degradación a la hora de cargarse y descargarse, lo que, hasta ahora, ha obstaculizado su comercialización.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne han descubierto una razón clave para esta degradación del rendimiento: la aparición de defectos en la estructura atómica que se forman durante los pasos involucrados en la preparación del material del cátodo. Estos defectos conducen eventualmente a un terremoto estructural en el cátodo, que da como resultado una disminución catastrófica del rendimiento de la batería. Gracias al conocimiento de este mecanismo, los desarrolladores de baterías pueden ajustar las condiciones de síntesis para fabricar cátodos de iones de sodio muy superiores a los que se han venido utilizando hasta ahora.

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Imagen microscópica de electrones de transición de material de cátodo recién sintetizado (izquierda). El esquema muestra la tensión inducida en la estructura del cátodo en capas (derecha). Imagen del Laboratorio Nacional de Argonne.

Las claves para llegar a este descubrimiento se sitúan en el Centro de materiales a nanoescala (CNM) y la Fuente de fotones avanzados (APS) de Argonne, ambas instalaciones accesibles para investigadores creadas por el DOE. “La capacidad de estos laboratorios nos permitió rastrear los cambios en la estructura atómica del material del cátodo en tiempo real”, afirma Guiliang Xu, químico asistente en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne.

Para sintetizar los cátodos, los fabricantes de materiales calientan lentamente la mezcla a altas una temperaturas, manteniéndolas durante un período de tiempo determinado para posteriormente bajarlas rápidamente a la temperatura ambiente. Los datos de la investigación revelaron que, al caer rápidamente la temperatura durante la síntesis del material, la superficie de la partícula del cátodo se vuelve menos suave y muestra grandes áreas de tensión. También se produce un efecto de contrafase en estas áreas lo que provoca el agrietamiento de las partículas del cátodo y una disminución del rendimiento. Tras un estudio más detallado, el equipo descubrió que esta degradación de la batería se intensificaba cuando se ciclaban los cátodos a altas temperatura (54,4 ºC o 130 ºF) o ​​con carga s rápidas (una hora en lugar de 10 horas).

“Estos conocimientos son extremadamente importantes para la fabricación a gran escala de cátodos de iones de sodio mejorados”, señala Khalil Amine, del Laboratorio de Argonne. "Debido a la gran cantidad de material involucrado, digamos, 1.000 kilogramos, habrá una gran variación de temperatura, lo que conducirá a la formación de muchos defectos a menos que se tomen las medidas adecuadas".

Las investigaciones anteriores de los miembros del equipo dieron como resultado un ánodo muy mejorado. "Ahora, podemos hacer coincidir nuestro cátodo mejorado con el ánodo para lograr un aumento del rendimiento del 20 % al 40 %", asegura Xu. "También es importante que estas baterías mantengan ese rendimiento con ciclos a largo plazo y a alto voltaje". Esta investigación podría dar como resultado vehículos eléctricos más asequibles y con una mayor autonomía.

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