La puerta está abierta para baterías de iones de sodio duraderas que compiten con las tecnologías de iones de litio de hoy.
En la búsqueda de un almacenamiento de energía sostenible, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers 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 muestran que la capacidad puede igualar las baterías de iones de litio actuales.
“Si bien los iones de litio funcionan bien para el almacenamiento de energía, el litio es un metal costoso que preocupa su suministro a largo plazo y los problemas ambientales.
El sodio, por otro lado, es un metal abundante y económico y un ingrediente principal en el agua de mar (y sal de cocina). Esto hace que las baterías de iones de sodio sean una alternativa atractiva y sostenible para reducir nuestra necesidad de materias primas críticas. Sin embargo, un desafío importante es aumentar la capacidad.
Con el nivel actual de rendimiento, las baterías de iones de sodio no pueden competir con las celdas de iones de litio. Un factor limitante es el grafito, que se compone de capas apiladas de grafeno y se utiliza como ánodo en las baterías de iones de litio actuales.
Los iones se intercalan en el grafito, lo que significa que pueden entrar y salir de las capas de grafeno y almacenarse para el consumo de energía. Los iones de sodio son más grandes que los iones de litio e interactúan de manera diferente. Por lo tanto, no se pueden almacenar de manera eficiente en la estructura de grafito. Pero los investigadores de Chalmers han encontrado una nueva forma de resolver este problema.
“Agregamos un espaciador de moléculas en un lado de la capa de grafeno. Cuando se apilan las capas, la molécula crea un espacio más grande entre las láminas de grafeno y proporciona un punto de interacción, lo que conduce a una capacidad significativamente mayor ”, dice el investigador Jinhua Sun del Departamento de Ciencias Industriales y de Materiales. De Chalmers y primer autor de el estudio científico. artículo, publicado en Science Advances.
Diez veces la capacidad energética del grafito estándar
Normalmente, la capacidad de intercalación del sodio en el grafito estándar es de aproximadamente 35 miliamperios-hora por gramo (mAh g-1). Esto es menos de una décima parte de la capacidad de intercalación de iones de litio en el grafito. Con el nuevo grafeno, la capacidad específica de los iones de sodio es de 332 miliamperios-hora por gramo, que se acerca al valor del litio en el grafito. Los resultados también mostraron una reversibilidad total y una alta estabilidad de ciclismo.
“Fue realmente emocionante ver la intercalación de iones de sodio con una capacidad tan alta. La investigación aún se encuentra en una etapa inicial, pero los resultados son muy prometedores. Esto demuestra que es posible diseñar capas de grafeno en una estructura ordenada que sea adecuada para los iones de sodio, haciéndolo comparable al grafito ”, explica 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 cargo anterior como subdirector del Graphene Flagship, un proyecto financiado por la Comisión Europea y coordinado por la Universidad Tecnológica de Chalmers.
El nuevo grafeno tiene funcionalización química asimétrica en lados opuestos y, por lo tanto, a menudo se lo conoce como grafeno Jano, en honor al antiguo dios romano de dos caras Jano, el dios de los nuevos comienzos, asociado con puertas y portales, y las primeras etapas de un viaje. En este caso, el grafeno de Janus se correlaciona bien con la mitología romana, lo que podría abrir la puerta a baterías de iones de sodio de alta capacidad.
“Nuestro material Janus todavía está muy lejos de las aplicaciones industriales, pero los nuevos resultados muestran que podemos diseñar las láminas de grafeno ultrafinas, y el pequeño espacio entre ellas, para un almacenamiento de energía de alta capacidad. Estamos muy contentos de presentar un concepto con metales rentables, abundantes y sostenibles ”, dice Vincenzo Palermo, profesor afiliado en el Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers.
Artículo original: El grafeno Janus abre las puertas a las baterías de iones de sodio sostenibles
