Una forma rápida y sencilla de producir materiales anódicos para baterías de iones de sodio mediante microondas
El equipo de investigación dirigido por los doctores Daeho Kim y Jong Hwan Park en el Centro de Investigación de Tecnología Nanohíbrida del Instituto de Investigación Electrotecnológica de Corea (KERI) ha desarrollado una innovadora tecnología de proceso que permite la preparación ultrarrápida, en 30 segundos, de ánodos de carbono duro para baterías de iones de sodio mediante calentamiento por inducción de microondas.
(Primera fila, desde la izquierda) Los doctores Daeho Kim y Jong Hwan Park, del KERI, han desarrollado una innovadora tecnología de proceso para la preparación ultrarrápida de carbono duro, un material anódico para las baterías de iones de sodio, mediante la tecnología de calentamiento por inducción de microondas.
Korea Electrotechnology Research Institute
La batería de iones de sodio, una de las baterías secundarias de nueva generación, utiliza sodio (Na) en lugar del actual pilar, el litio (Li). El sodio, principal componente de la sal, es más de mil veces más abundante que el litio y más fácil de extraer y refinar. Además, su menor reactividad en comparación con el litio se traduce en una mayor estabilidad electroquímica cuando se utiliza en baterías, lo que lo hace más favorable para la carga y descarga rápidas, manteniendo el rendimiento incluso a bajas temperaturas.
A pesar de estas ventajas, las baterías de iones de sodio se enfrentan a importantes retos, como una menor densidad energética y una vida útil más corta en comparación con las baterías de iones de litio, debido a la complejidad del proceso de fabricación. El mayor tamaño de los iones de sodio en comparación con los de litio hace necesario el uso de carbono duro, que tiene una mayor separación entre capas que el grafito, el actual pilar de los materiales para ánodos.
El carbono duro no se encuentra en la naturaleza, por lo que hay que sintetizarlo. El proceso de preparación es muy complejo y requiere que los materiales de hidrocarburo -principales componentes de plantas y polímeros- se calienten en un entorno sin oxígeno a temperaturas superiores a 1.000°C durante largos periodos. Este proceso de "carbonización" es oneroso tanto económica como medioambientalmente, lo que ha sido un obstáculo clave para la comercialización de las baterías de iones de sodio.
Entre los muchos equipos que intentan resolver este reto, el dirigido por los doctores Kim y Park propuso un método de calentamiento rápido mediante tecnología de microondas, que podemos encontrar fácilmente en un horno microondas de la cocina. Primero crearon películas mezclando polímeros con una pequeña cantidad de nanotubos de carbono altamente conductores. A continuación, aplicaron un campo magnético de microondas a las películas para inducir corrientes en los nanotubos de carbono, calentando selectivamente las películas a más de 1.400 °C en sólo 30 segundos.
Tras años de investigación, el KERI ha desarrollado una tecnología que permite tratar térmicamente de manera uniforme películas finas conductoras, como las metálicas, mediante campos magnéticos de microondas. Esta tecnología ha suscitado un gran interés en procesos industriales como las pantallas y los semiconductores. El Centro de Investigación de Tecnología Nanohíbrida del KERI está reconocido como el centro líder del país en tecnología de nanomateriales de carbono. El Dr. Kim y el Dr. Park aprovecharon las capacidades del centro para aventurarse en el campo de los materiales para ánodos de baterías de iones de sodio y obtuvieron resultados prometedores.
La clave de su éxito reside en la técnica de "simulación multifísica" propia del equipo. Esta técnica les permitió comprender en profundidad los complejos procesos que tienen lugar cuando se aplica a los nanomateriales un campo electromagnético en el ancho de banda de las microondas, lo que condujo a la creación de un novedoso proceso de preparación de materiales para ánodos de baterías de iones de sodio. La importancia de los hallazgos del equipo ha quedado demostrada por la reciente publicación de sus resultados en la revista Chemical Engineering Journal. Los coautores del artículo son Geongbeom Ryoo y Jiwon Shin, estudiantes de investigación que participaron en el programa de investigación en colaboración entre el mundo académico y la investigación del KERI.
"Debido a los recientes incendios de vehículos eléctricos, ha crecido el interés por las baterías de iones de sodio, que son más seguras y funcionan bien en condiciones más frías. Sin embargo, el proceso de carbonización de los ánodos ha supuesto una importante desventaja en términos de eficiencia energética y coste", afirmó el Dr. Jong Hwan Park. El Dr. Daeho Kim añadió: "Nuestra tecnología de calentamiento por inducción de microondas permite preparar carbono duro de forma rápida y sencilla, lo que creo que contribuirá a la comercialización de las baterías de iones de sodio".
De cara al futuro, el equipo tiene previsto seguir trabajando para mejorar el rendimiento de sus materiales anódicos y desarrollar una tecnología para la producción en masa y continua de películas de carbono duro de gran superficie. También ven el potencial de su tecnología de calentamiento por inducción de microondas aplicable a otros campos, como las baterías de estado sólido que requieren una sinterización a alta temperatura, lo que justifica nuevas investigaciones.
KERI, que ya ha presentado una solicitud de patente nacional, espera que esta tecnología suscite un gran interés entre las empresas dedicadas a los materiales de almacenamiento de energía y prevé acuerdos de transferencia de tecnología con posibles socios industriales.
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
Gyeongbeom Ryoo, Jiwon Shin, Byeong Guk Kim, Do Geun Lee, Joong Tark Han, Byeongho Park, Youngseok Oh, Seung Yol Jeong, Se-Hee Lee, Dong Yun Lee, Daeho Kim, Jong Hwan Park; "Sub-minute carbonization of polymer/carbon nanotube films by microwave induction heating for ultrafast preparation of hard carbon anodes for sodium-ion batteries"; Chemical Engineering Journal, Volume 496
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