Plantilla para el éxito: dar forma a electrodos de carbono duro para baterías de próxima generación

Los científicos utilizan compuestos inorgánicos a base de zinc para mejorar enormemente la capacidad de las baterías de iones de sodio y potasio.

Carga de la batería de un automóvil: fotografía ilustrativa. Crédito de la imagen: JUICE vía Unsplash, licencia gratuita

Baterías de iones de litio (LIB) son, con diferencia, el tipo de baterías recargables más utilizado y abarcan numerosas aplicaciones. Estos incluyen productos electrónicos de consumo, vehículos eléctricos (por ejemplo, automóviles Tesla), sistemas de energía renovable y naves espaciales.

Aunque las LIB ofrecen el mejor rendimiento en muchos aspectos en comparación con otras baterías recargables, tienen una buena cantidad de desventajas. El litio es un recurso bastante escaso y su precio aumentará rápidamente a medida que disminuya su disponibilidad.

Además, la extracción de litio y los LIB desechados incorrectamente plantean enormes desafíos ambientales, ya que los electrolitos líquidos comúnmente utilizados son tóxicos e inflamables.

Las deficiencias de los LIB han motivado a investigadores de todo el mundo a buscar tecnologías alternativas de almacenamiento de energía. Las baterías de iones de sodio (Na) (NIB) y las baterías de iones de potasio (KIB) son dos opciones que emergen rápidamente y que son rentables y sostenibles. Se prevé que tanto los NIB como los KIB serán industrias de miles de millones de dólares para finales de la década.

Los gobiernos de todo el mundo, incluidos los de Estados Unidos, Austria, Hong Kong, Alemania y Australia, están promoviendo la investigación y la innovación en este campo. Además, empresas como Farradion Limited, TIAMAT SAS y HiNa Battery Technology Co. Ltd. están invirtiendo mucho en esta tecnología. Se espera que tanto Contemporary Amperex Technology Co. Limited como Build Your Dreams presenten pronto paquetes de baterías para vehículos eléctricos con NIB.

Desafortunadamente, sin embargo, la capacidad de los materiales de los electrodos utilizados en los NIB y KIB todavía está por detrás de la de los LIB. En este contexto, un equipo de investigación dirigido por el profesor Shinichi Komaba de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, ha estado trabajando para desarrollar materiales de electrodos innovadores de alta capacidad para NIB y KIB.

En su último estudio, publicado en Materiales energéticos avanzados El 9 de noviembre de 2023, informan sobre una nueva estrategia de síntesis para electrodos nanoestructurados de “carbono duro” (HC) que ofrecen un rendimiento sin precedentes. El estudio fue coautor del Sr. Daisuke Igarashi, la Sra. Yoko Tanaka y el profesor asociado junior Ryoichi Tatara de TUS, y el Dr. Kei Kubota del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) de Japón.

Pero, ¿qué es HC y por qué es útil para NIB y KIB? A diferencia de otras formas de carbono, como el grafeno o el diamante, el HC es amorfo; carece de una estructura cristalina bien definida. Además, es fuerte y resistente. En un estudio anterior de 2021, el profesor Komaba y sus colegas habían encontrado una manera de utilizar óxido de magnesio (MgO) como plantilla durante la síntesis de electrodos de HC para NIB, alterando su nanoestructura final.

El proceso condujo a la formación de nanoporos dentro de los electrodos tras la eliminación de MgO, lo que, a su vez, aumentó enormemente su capacidad para almacenar Na.⁺ iones.

Motivados por sus hallazgos anteriores, los investigadores exploraron si los compuestos elaborados a partir de zinc (Zn) y calcio (Ca) también podrían ser útiles como nanoplantillas para electrodos de HC. Para ello, investigaron sistemáticamente diferentes muestras de HC elaboradas con óxido de zinc (ZnO) y carbonato de calcio (CaCO₃) y compararon su rendimiento con los sintetizados utilizando óxido de magnesio (MgO).

Los experimentos preliminares mostraron que el ZnO era particularmente prometedor para el electrodo negativo de los NIB. En consecuencia, los investigadores optimizaron la concentración de ZnO incrustado en la matriz de HC durante la síntesis, demostrando una capacidad reversible de 464 mAh g.^–1 (correspondiente a NaC_4.8) con una alta eficiencia Coulombic inicial del 91,7% y un potencial promedio bajo de 0,18 V frente a Na⁺/ Eso.

El equipo logró resultados notables al incorporar este potente material de electrodo en una batería real. “El NIB fabricado utilizando HC optimizado con plantilla de ZnO como electrodo negativo exhibió una densidad de energía de 312 Wh kg^–1« destaca el profesor Komaba.

“Este valor es equivalente a la densidad energética de ciertos tipos de LIB actualmente comercializados con LiFePO₄ y grafito y tiene más de 1,6 veces la densidad energética de los primeros NIB (192 Wh kg^–1), que nuestro laboratorio informó en 2011”. En particular, el HC con plantilla de ZnO también exhibió una capacidad significativa de 381 mAh g^–1 cuando se incorpora a un KIB, mostrando aún más su potencial.

En conjunto, los resultados de este estudio muestran que el uso de nanopartículas inorgánicas como plantilla para controlar la estructura de los poros puede proporcionar una guía eficaz para el desarrollo de electrodos de HC. «Nuestros hallazgos demuestran que los HC son candidatos prometedores para electrodos negativos como alternativa al grafito». concluye el profesor Komaba.

Dar forma al carbono duro para obtener electrodos excepcionales de gran capacidad para baterías de iones de sodio: Es posible incorporar nanoporos en el carbono duro utilizando óxido de zinc como plantilla durante su síntesis. Estos poros permiten que el material almacene muchos más portadores de carga, lo que lo convierte en un candidato a electrodo prometedor para baterías de iones de sodio que pueden alcanzar una densidad de energía comparable a la de las baterías de iones de litio de tipo LiFePO4. Crédito de la imagen: Shinichi Komaba de TUS Japón.

A su vez, esto podría hacer que los NIB sean viables para aplicaciones prácticas, como el desarrollo de productos electrónicos de consumo y vehículos eléctricos sostenibles, así como sistemas de almacenamiento de energía con baja huella de carbono para almacenar energía de parques solares y eólicos.

Fuente: Universidad de Ciencias de Tokio