Los investigadores resuelven un problema clave de las baterías de iones de sodio para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía en red
Las baterías de iones de sodio podrían aliviar los problemas de la cadena de suministro de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio dominan el mercado desde hace tiempo como fuente de energía para vehículos eléctricos. También se tienen cada vez más en cuenta para el almacenamiento de energía renovable destinada a la red eléctrica. Sin embargo, con la rápida expansión de este mercado, se prevé una escasez de suministro de litio en los próximos cinco a diez años.
Representación artística que ilustra el hallazgo clave de que la reducción de la velocidad de calentamiento durante la preparación de cátodos para baterías de iones de sodio eliminaba el problema de la deformación y el agrietamiento en las partículas de núcleo con gradiente de concentración.
Images by Argonne National Laboratory
"Las baterías de iones de sodio se perfilan como una alternativa convincente a las de iones de litio debido a la mayor abundancia y menor coste del sodio", afirma Gui-Liang Xu, químico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE).
Hasta la fecha, la comercialización de este tipo de baterías se ha visto seriamente obstaculizada. En concreto, el rendimiento del cátodo que contiene sodio disminuye rápidamente con descargas y cargas repetidas.
Un equipo de Argonne ha logrado importantes avances en la resolución de este problema con un nuevo diseño de cátodo de óxido de iones de sodio. Se basa en un diseño anterior de Argonne para un cátodo de óxido de iones de litio que ha demostrado una gran capacidad de almacenamiento de energía y una larga vida útil.
Una característica clave de ambos diseños es que las partículas microscópicas del cátodo contienen una mezcla de metales de transición, que podrían incluir níquel, cobalto, hierro o manganeso. Lo importante es que estos metales no están distribuidos uniformemente en las partículas individuales del cátodo. Por ejemplo, el níquel aparece en el núcleo; alrededor de este núcleo se encuentran el cobalto y el manganeso, que forman una envoltura. Estos elementos cumplen diferentes funciones. La superficie rica en manganeso confiere a la partícula su estabilidad estructural durante los ciclos de carga y descarga. El núcleo rico en níquel proporciona una gran capacidad de almacenamiento de energía.
Sin embargo, al probar este diseño, la capacidad de almacenamiento de energía del cátodo disminuía constantemente durante los ciclos. El problema se debió a la formación de grietas en las partículas durante los ciclos. Estas grietas se formaban debido a la tensión que surgía entre la cubierta y el núcleo de las partículas. El equipo trató de eliminar esa tensión antes del ciclado afinando el método de preparación del cátodo.
El material precursor utilizado para iniciar el proceso de síntesis es un hidróxido. Además de oxígeno e hidrógeno, contiene tres metales: níquel, cobalto y manganeso. El equipo fabricó dos versiones de este hidróxido: Una con los metales distribuidos en un gradiente desde el núcleo hasta la cáscara y, para comparar, otra con los tres metales distribuidos uniformemente por cada partícula.
Para formar el producto final, el equipo calentó una mezcla de material precursor e hidróxido de sodio hasta 600 grados centígrados, la mantuvo a esa temperatura durante un tiempo determinado y luego la enfrió a temperatura ambiente. También probaron diferentes velocidades de calentamiento.
Durante todo este tratamiento, el equipo supervisó los cambios estructurales en las propiedades de las partículas. Para este análisis se utilizaron dos instalaciones de la Oficina de Ciencia del DOE: la Fuente Avanzada de Fotones (líneas de luz 17-BM y 11-ID) en Argonne y la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (línea de luz 18-ID) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE.
"Con los haces de rayos X de estas instalaciones, pudimos determinar en tiempo real los cambios en la composición y estructura de las partículas en condiciones de síntesis realistas", dijo Wenqian Xu, científico de la línea de luz de Argonne.
El equipo también utilizó el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne para realizar análisis adicionales para caracterizar las partículas y el superordenador Polaris de la Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para reconstruir los datos de rayos X en imágenes 3D detalladas. El CNM y el ALCF son también instalaciones usuarias de la Oficina de Ciencia del DOE.
Los resultados iniciales revelaron la ausencia de grietas en las partículas uniformes, pero la formación de grietas en las partículas de gradiente a temperaturas tan bajas como 250 grados C. Estas grietas aparecieron en el núcleo y en el límite núcleo-cáscara y luego se desplazaron a la superficie. Claramente, el gradiente metálico provocó una tensión significativa que dio lugar a estas grietas.
"Como sabemos que las partículas de gradiente pueden producir cátodos con una gran capacidad de almacenamiento de energía, queríamos encontrar condiciones de tratamiento térmico que eliminaran las grietas en las partículas de gradiente", dijo Wenhua Zuo, un postdoctorado de Argonne.
La velocidad de calentamiento resultó ser un factor crítico. Las grietas se formaron a una velocidad de calentamiento de cinco grados por minuto, pero no a una velocidad más lenta de un grado por minuto. Las pruebas realizadas en celdas pequeñas con partículas catódicas preparadas a la velocidad más lenta mantuvieron su alto rendimiento durante más de 400 ciclos.
"Evitar las grietas durante la síntesis del cátodo reporta grandes beneficios cuando éste se carga y descarga posteriormente", afirma Gui-Liang Xu. "Y aunque las baterías de iones de sodio aún no tienen la densidad energética suficiente para propulsar vehículos en largas distancias, son ideales para la conducción urbana".
El equipo trabaja ahora para eliminar el níquel del cátodo, lo que reduciría aún más el coste y sería más sostenible.
"Las perspectivas parecen muy buenas para unas futuras baterías de iones de sodio no sólo de bajo coste y larga duración, sino también con una densidad energética comparable a la del cátodo de fosfato de hierro y litio que ahora tienen muchas baterías de iones de litio", afirma Khalil Amine, miembro distinguido de Argonne. "Esto daría lugar a vehículos eléctricos más sostenibles con una buena autonomía de conducción".
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.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la química en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de química, análisis, laboratorio y tecnología de procesos le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
