Carga más rápida, mayor vida útil
Batería de nueva generación de POSTECH y KIER
Ante la creciente demanda de baterías de carga ultrarrápida y alta densidad energética en diversos sectores -desde los vehículos eléctricos hasta los sistemas de almacenamiento de energía (ESS)-, un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) y el Instituto Coreano de Investigación Energética (KIER) ha desarrollado un prometedor material para ánodos de nueva generación que podría dar respuesta a estas necesidades críticas.
Comportamiento de ánodos de nanocompuestos de carbono duro y estaño en baterías de iones de litio y de iones de sodio
POSTECH
Aunque el grafeno, el material anódico más común en las baterías de iones de litio (LIB), ofrece una sólida estabilidad estructural, se ve limitado por su baja capacidad teórica y sus lentas velocidades de carga y descarga. Para superar estas limitaciones, los investigadores han propuesto un novedoso diseño de electrodo que combina carbono duro con estaño (Sn).
El carbono duro es un material de carbono desordenado con abundantes microporos y vías que facilitan la rápida difusión de los iones de litio y sodio. Esta estructura permite tanto un elevado almacenamiento de energía como una gran robustez mecánica, por lo que resulta ideal para aplicaciones de alta velocidad y larga duración.
Sin embargo, la incorporación de estaño planteaba otro reto. Cuanto más pequeñas sean las partículas de estaño, más eficazmente se reducirá la problemática expansión de volumen durante los ciclos, mejorando la estabilidad general. Por desgracia, el bajo punto de fusión del estaño (∼230 °C) dificulta la síntesis de partículas tan finas. El equipo de investigación abordó este problema mediante un proceso sol-gel seguido de reducción térmica, incrustando con éxito nanopartículas de estaño de menos de 10 nm distribuidas uniformemente dentro de la matriz de carbono duro.
La estructura compuesta resultante presenta una sinergia funcional que va más allá de la simple mezcla física. Las nanopartículas de estaño no sólo actúan como materiales activos, sino que también sirven como catalizadores que promueven la cristalización del carbono duro circundante. Durante los ciclos electroquímicos, la formación reversible de enlaces Sn-O contribuye a aumentar la capacidad de la batería mediante reacciones de conversión.
El electrodo diseñado ha demostrado un excelente rendimiento en pilas de iones de litio, manteniendo un funcionamiento estable durante 1.500 ciclos en condiciones de carga rápida de 20 minutos, al tiempo que logra una densidad de energía volumétrica 1,5 veces superior a la de los ánodos de grafito convencionales. Este logro representa la integración con éxito de alta potencia, alta energía y larga vida útil en un solo electrodo.
Sorprendentemente, el electrodo también muestra un rendimiento extraordinario en baterías de iones de sodio (SIB). Los iones de sodio suelen reaccionar mal con los materiales convencionales de los ánodos, como el grafito o el silicio. Sin embargo, la estructura de nanocompuesto de carbono duro y estaño mantiene una estabilidad excelente y una cinética rápida en entornos sódicos, lo que subraya su versatilidad en múltiples plataformas de baterías.
El profesor Soojin Park, de POSTECH, declaró: "Esta investigación representa un nuevo hito en el desarrollo de la próxima generación de baterías de alto rendimiento y es prometedora para aplicaciones en vehículos eléctricos, sistemas híbridos y ESS a escala de red." El Dr. Gyujin Song, de KIER, añadió: "La realización de un ánodo con alta potencia, estabilidad y densidad energética simultáneamente, junto con su compatibilidad con los sistemas de iones de sodio, marca un punto de inflexión en el mercado de las baterías recargables."
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