Investigadores del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, INMA, instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza, acaban de publicar dos nuevos estudios en las influyentes revistas Green Chemistry y Journal of Power Sources, que permitirán mejorar el rendimiento de las baterías de ion sodio, convirtiéndolas en una realidad cada vez más cercana
(Zaragoza, viernes 24 de mayo de 2024). En el contexto actual de crisis energética es necesario el desarrollo de energías renovables y de sistemas que sean capaces de almacenar esta energía, entre ellos, las baterías. Además, la mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos utilizan baterías de ion litio debido a sus excelentes propiedades. Sin embargo, el litio es un material caro, escaso y que solo se encuentra en unos pocos países del mundo. Por ello, los esfuerzos de la comunidad científica se han centrado en descubrir alternativas que complementen a las baterías de ion litio, como las baterías de ion sodio.
Las baterías de ion sodio son mucho más baratas. Esto es debido a que el sodio es un elemento muy abundante y que se distribuye de manera homogénea por la corteza terrestre. Dada la similitud entre el sodio y el litio, los materiales y componentes de una tecnología se han traspasado directamente a la otra. Sin embargo, se ha visto que las diferencias en el tamaño y en el comportamiento químico entre los dos elementos requieren el desarrollo de materiales específicos que permitan el despliegue de las baterías de ion sodio.
Por ejemplo, se ha visto que los conocidos como carbones duros, que se pueden obtener a partir de desechos vegetales, son mejores materiales para los ánodos que el grafito empleado en las baterías de ion litio. Sin embargo, aún existe margen de mejora con respecto a la energía que son capaces de almacenar.
En este contexto, el equipo de investigación del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, INMA, instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza, formado por María Bernechea Navarro, Investigadora ARAID en la Universidad de Zaragoza en el INMA, M. Pilar Lobera González, Profesora contratada doctora, de la Universidad de Zaragoza en el INMA y Sergio Aina Sanz, Investigador predoctoral de la Universidad de Zaragoza en el INMA, en colaboración con investigadores del National Institute of Chemistry, NIC, en Eslovenia, han desarrollado nuevas metodologías para mejorar el comportamiento de los carbones empleados como ánodos en baterías de ion sodio.
Materiales híbridos de carbón y nanopartículas
Por un lado, se ha descrito como la incorporación de nanopartículas de sulfuro de bismuto a los carbones duros consigue aumentar la cantidad de energía que el electrodo puede almacenar. Empleando técnicas de caracterización avanzadas (incluyendo técnicas operando, que permiten observar cambios en la estructura de los materiales en tiempo real, durante la carga y descarga del dispositivo) se ha podido comprobar que el aumento en la capacidad de almacenamiento se debe a reacciones químicas entre el bismuto de las nanopartículas y el sodio. Esta estrategia abre la posibilidad de mejorar los ánodos de estas baterías mediante la adición de diferentes nanopartículas capaces de interactuar con el ion sodio.
Tratamientos superficiales para carbones
Por otro lado, se ha visto que el tratamiento de carbones duros con pequeñas moléculas orgánicas a temperatura ambiente es una manera rápida, sencilla y barata de mejorar su rendimiento como ánodos en baterías de ion sodio. La adición de estas moléculas permite controlar el tamaño de poro de los carbones, facilitando la entrada y salida del ion sodio de forma reversible. Este hecho podría ser de interés para otras áreas en las que se usan materiales carbonosos, por ejemplo, adsorción de contaminantes o electrocatálisis. Además, dependiendo de los grupos funcionales que presenten las moléculas orgánicas, se puede controlar la composición de la interfase entre el electrodo y el electrolito. Esta interfase es fundamental para el rendimiento de la batería y su vida útil, por ejemplo, se puede mejorar este rendimiento con moléculas que tiene grupos tiol en su composición.
Estos trabajos han recibido financiación de la red M-ERA.NET (proyecto NOEL: Innovative Nanostructured Electrodes for Energy Storage Concepts) a través de MCIN/AEI/10.13039/501100011033 (Ref: PCI2019–10363), el MCIN financiado por la Unión Europea con fondos NextGenerationEU promovidos por el Gobierno de Aragón (Ref: PRTR-C17.I1) y el Gobierno de Aragón (Convocatoria de contratos predoctorales 2023-2027).
Enlace a las publicaciones
“Exploring hybrid hard carbon/Bi2S3-based negative electrodes for Na-ion batteries”: https://doi.org/10.1039/D4GC00564C
“Simple surface treatment improves performance of carbon materials for sodium ion battery anodes”: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234730
Imágenes
Figure 1: Pilas de botón de ion sodio fabricadas en el INMA.
Figura 2: Equipo de investigación del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, INMA, instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza. De izquierda a derecha M. Pilar Lobera González, Profesora contratada doctora, de la Universidad de Zaragoza en el INMA, Sergio Aina Sanz, Investigador predoctoral de la universidad de Zaragoza en el INMA y María Bernechea Navarro, Investigadora ARAID en la Universidad de Zaragoza en el INMA.
