Baterías: modelar hoy los materiales del mañana
Las simulaciones de microestructuras revelan una gran influencia de las deformaciones elásticas en el comportamiento de carga de óxidos estratificados como cátodo en baterías de iones de sodio
¿Qué factores determinan la rapidez de carga de una batería? Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) estudian esta y otras cuestiones mediante simulaciones asistidas por ordenador. Los modelos de microestructura ayudan a descubrir y analizar nuevos materiales para electrodos. En el caso del óxido de sodio-níquel-manganeso como material catódico en baterías de iones de sodio, las simulaciones muestran cambios en la estructura cristalina durante el proceso de carga. Esto provoca una deformación elástica que reduce la capacidad. Los investigadores publican sus resultados en la revista npj Computational Materials.
La investigación de nuevos materiales para baterías no sólo persigue optimizar el rendimiento y la vida útil y reducir costes. También se trata de reducir elementos raros como el litio y el cobalto, así como componentes tóxicos. Las baterías de iones de sodio, que se basan en principios similares a las de iones de litio pero pueden fabricarse con materias primas suficientemente disponibles en Europa, se consideran prometedoras. Son adecuadas para aplicaciones estacionarias y móviles. "Los óxidos estratificados, como los óxidos de sodio, níquel y manganeso, son materiales prometedores para el cátodo", explica Simon Daubner, jefe de grupo del Instituto de Materiales Aplicados - Modelización y Simulación de Microestructuras (IAM-MMS) del KIT y autor correspondiente del estudio. En el clúster de excelencia POLiS ( Post Lithium Storage), investiga la tecnología de iones de sodio.
Durante la carga rápida se producen tensiones mecánicas
Sin embargo, estos materiales catódicos presentan un problema: los óxidos de sodio, níquel y manganeso cambian su estructura cristalina en función de la cantidad de sodio almacenada. Si el material se carga lentamente, todo se organiza. "El sodio abandona el material capa por capa, como un aparcamiento de varios pisos que se vacía planta por planta", explica Daubner. "Pero cuando las cosas tienen que moverse rápidamente, el sodio sale por todos lados". Esto provoca tensiones mecánicas que pueden dañar permanentemente el material.
Investigadores del Instituto de Nanotecnología (INT) y del IAM-MMS del KIT, junto con científicos de la Universidad de Ulm y del Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno de Baden-Württemberg (ZSW), han descubierto ahora estas relaciones con ayuda de simulaciones y dan cuenta de ellas en npj Computational Materials, una revista de la cartera Nature.
Los experimentos confirman los resultados de las simulaciones
"Los modelos informáticos pueden describir diferentes escalas de longitud, desde la disposición de los átomos en los materiales de los electrodos y su microestructura hasta la célula como unidad funcional de cada batería", explica Daubner. Combinan la modelización de la microestructura con experimentos de carga y descarga lentas para investigar el óxido estratificado NaXNi1/3Mn2/3O2. El material presenta varios mecanismos de degradación que provocan una pérdida de capacidad. Por ello, aún no es apto para aplicaciones comerciales. Cuando cambia la estructura cristalina, se produce una deformación elástica. El cristal se contrae, lo que puede provocar grietas y reducir la capacidad disponible. Como han demostrado las simulaciones realizadas en el INT y el IAM-MMS, esta influencia mecánica es tan fuerte que tiene un impacto significativo en la rapidez con la que se puede cargar el material. Las investigaciones experimentales realizadas en el ZSW confirmaron los resultados.
Algunas de las conclusiones del estudio pueden trasladarse a otros óxidos estratificados. "Ahora que entendemos los procesos fundamentales, podemos dedicar más trabajo a desarrollar materiales para baterías que sean duraderos y puedan cargarse lo más rápidamente posible", resume Daubner. Esto podría hacer realidad el uso generalizado de las baterías de iones de sodio en un plazo de cinco a diez años".
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Publicación original
Simon Daubner, Manuel Dillenz, Lukas Fridolin Pfeiffer, Cornelius Gauckler, Maxim Rosin, Nora Burgard, Jan Martin, Peter Axmann, Mohsen Sotoudeh, Axel Groß, Daniel Schneider, Britta Nestler; "Combined study of phase transitions in the P2-type NaXNi1/3Mn2/3O2 cathode material: experimental, ab-initio and multiphase-field results"; npj Computational Materials, Volume 10, 2024-4-18
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