Plantilla para el éxito: electrodos de carbono duro para la próxima generación de baterías
Los científicos utilizan compuestos inorgánicos a base de zinc para mejorar enormemente la capacidad de las baterías de iones de sodio y potasio
Las baterías de iones de litio (LIB) son, con diferencia, el tipo de pilas recargables más utilizado y abarcan numerosas aplicaciones. Entre ellas se encuentran la electrónica de consumo, los vehículos eléctricos (por ejemplo, los coches Tesla), los sistemas de energías renovables y las naves espaciales. Aunque las LIB ofrecen el mejor rendimiento en muchos aspectos en comparación con otras baterías recargables, también tienen sus desventajas. El litio es un recurso bastante escaso, y su precio aumentará rápidamente a medida que disminuya su disponibilidad en el futuro. Además, la extracción de litio y el desecho inadecuado de las LIB plantean enormes problemas medioambientales, ya que los electrolitos líquidos que se utilizan habitualmente en ellas son tóxicos e inflamables.
Es posible incorporar nanoporos en el carbono duro utilizando óxido de zinc como plantilla durante su síntesis. Estos poros permiten al material almacenar muchos más portadores de carga, lo que lo convierte en un prometedor candidato a electrodo para baterías de iones de sodio que pueden alcanzar una densidad energética comparable a la de las baterías de iones de litio del tipo LiFePO4.
Shinichi Komaba from Tokyo University of Science (TUS), Japan
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Las deficiencias de las 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 de iones de potasio (KIB) son dos opciones emergentes que resultan rentables y sostenibles. Se prevé que tanto las NIB como las KIB se conviertan en industrias multimillonarias a finales de la década. Gobiernos de todo el mundo, como los de Estados Unidos, Austria, Hong Kong, Alemania y Australia, promueven la investigación y la innovación en este campo. Además, empresas como Faradion Limited, TIAMAT SAS y HiNa Battery Technology Co. Ltd., están invirtiendo mucho en esta tecnología. Tanto Contemporary Amperex Technology Co. Limited y Build Your Dreams presentarán en breve baterías para vehículos eléctricos con NIB.
Pero, por desgracia, la capacidad de los materiales de electrodo utilizados en las NIB y las KIB sigue siendo inferior a la de las LIB. En este contexto, un equipo de investigación dirigido por el profesor Shinichi Komaba, de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) (Japón), ha trabajado en el desarrollo de materiales de electrodos de alta capacidad para NIB y KIB. En su último estudio, publicado en Advanced Energy Materials el 9 de noviembre de 2023, presentan una nueva estrategia de síntesis de electrodos nanoestructurados de "carbono duro" (HC) que ofrecen un rendimiento sin precedentes. Los coautores del estudio son Daisuke Igarashi, Yoko Tanaka y el profesor asociado junior Ryoichi Tatara, de la Universidad de Texas, y el Dr. Kei Kubota, del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) de Japón.
Pero, ¿qué es el HC y por qué es útil para los NIB y los 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 forma de utilizar óxido de magnesio (MgO) como plantilla durante la síntesis de electrodos de HC para NIBs, alterando su nanoestructura final. El proceso había dado lugar a la formación de nanoporos en el interior de los electrodos tras la eliminación del MgO, lo que, a su vez, había aumentado enormemente su capacidad para almacenar iones Na+.
Motivados por sus hallazgos anteriores, los investigadores estudiaron si los compuestos de zinc (Zn) y calcio (Ca) también podrían ser útiles como nanoplacas para electrodos de HC. Para ello, investigaron sistemáticamente diferentes muestras de HC fabricadas con óxido de zinc (ZnO) y carbonato de calcio (CaCO3) y compararon su rendimiento con las sintetizadas con óxido de magnesio (MgO).
Los experimentos preliminares mostraron que el ZnO era particularmente prometedor para el electrodo negativo de los NIBs. 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 NaC4,8) con una elevada eficiencia coulómbica inicial del 91,7% y un bajo potencial medio de 0,18 V frente a Na+/Na.
El equipo logró resultados notables al incorporar este potente material de electrodo a una batería real. "La BNI fabricada utilizando el HC optimizado con ZnO como electrodo negativo exhibió una densidad energética de 312 Wh kg-1", destaca el profesor Komaba. "Este valor es equivalente a la densidad energética de ciertos tipos de LIBs comercializadas actualmente con LiFePO4 y grafeno y es más de 1,6 veces la densidad energética de las primeras NIBs (192 Wh kg-1), de las que nuestro laboratorio informó ya en 2011." Cabe destacar que la HC templada con ZnO también mostró una capacidad significativa de 381 mAh g-1 cuando se incorporó a un KIB, lo que demuestra aún más su potencial.
En conjunto, los resultados de este estudio demuestran que el uso de nanopartículas inorgánicas como plantilla para controlar la estructura de los poros puede proporcionar una pauta eficaz para el desarrollo de electrodos de HC. "Nuestros hallazgos demuestran que los HC son candidatos prometedores para electrodos negativos como alternativa al grafeno", concluye el profesor Komaba.
A su vez, esto podría hacer viables los NIB para aplicaciones prácticas, como el desarrollo de electrónica de consumo sostenible y vehículos eléctricos, así como sistemas de almacenamiento de energía de baja huella de carbono para almacenar energía procedente de parques solares y eólicos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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