BAM optimiza el ánodo de las baterías de iones de sodio
Se espera que este ánodo aumente significativamente la eficiencia y la capacidad de almacenamiento. El primer proceso de carga de una célula de batería durante su producción, conocido como formación, es un paso crítico, ya que influye enormemente en las propiedades posteriores de la célula. Durante este proceso de carga inicial, se forman capas límite en la superficie del ánodo como producto de la reacción del material del ánodo y el electrolito. Estas capas son esenciales para los procesos electroquímicos durante la carga y la descarga.
"Durante este proceso, las moléculas de electrolito se descomponen en el ánodo de carbono duro y penetran en sus poros", explica el BAM. "Ocupan 'espacios vacíos' que en realidad están destinados al almacenamiento de iones de sodio. Este proceso sólo se detiene cuando se ha formado una película protectora estable en el ánodo". Aunque esta película protege el ánodo de una mayor descomposición por el electrolito, consume una parte de la energía almacenable, ya que está parcialmente formada por iones de sodio en sí.
En otras palabras, esta capa límite, que actúa como una película protectora, aglutina los iones de sodio, los portadores de carga responsables del transporte de carga dentro de la pila. En las baterías de iones de litio ampliamente utilizadas en la actualidad, esto no es un problema importante, ya que sus ánodos están hechos de grafito denso, lo que permite que la capa protectora se forme más fácilmente. Una batería de iones de litio alcanza una eficiencia de 90% sin mayor intervención. "Sin embargo, el sodio no puede almacenarse en el grafito", señala BAM. "Por lo tanto, este tipo de batería requiere generalmente un material de ánodo diferente, y los llamados carbones duros han demostrado ser la mejor opción en este caso - excepto por las desventajas antes mencionadas durante el primer proceso de carga".
Nos dimos cuenta de que con las pilas de iones de sodio no se pueden conseguir grandes capacidades de almacenamiento ni una formación eficaz de la película utilizando un solo material", explica Tim-Patrick Fellinger, experto de BAM en materiales energéticos. "Esto se debe a que los materiales más adecuados para el almacenamiento son más propensos a sufrir pérdidas durante la formación de la película".
Para superar estos inconvenientes, el equipo del BAM ha "desarrollado un innovador diseño de núcleo-cáscara para el ánodo". En este enfoque, una estructura porosa de carbono, similar a una esponja, forma el núcleo del ánodo, que luego se recubre con una capa ultrafina (la cáscara) que actúa como filtro. Esta capa está diseñada para permitir el paso de los iones de sodio deseados para el transporte de iones, al tiempo que mantiene las moléculas de electrolito alejadas del núcleo de carbono. "Esto preserva la capacidad de almacenamiento del ánodo y permite que la pila mantenga su rendimiento durante muchos ciclos de carga", afirma BAM. Una ventaja adicional: el material está basado en carbono activado, un material rentable y respetuoso con el medio ambiente, lo que hace que la tecnología sea también económicamente atractiva.
Los resultados de laboratorio ya son prometedores: los materiales desarrollados en el estudio han alcanzado una eficacia inicial de 82%, frente a sólo 18% sin el recubrimiento. El equipo del BAM espera que se produzcan nuevos avances. El desarrollo continuado del material del ánodo tendrá lugar en el Laboratorio de Baterías de Berlín (BBL), una colaboración entre el BAM, el Helmholtz-Zentrum Berlin y la Humboldt-Universität zu Berlin.
"Hasta ahora, los avances en las pilas se han logrado principalmente a través de innovaciones materiales en el lado del cátodo. Aquí, nos acercamos a los límites teóricos. Con los materiales de los ánodos, en cambio, aún no se sabe con certeza dónde están esos límites y qué innovaciones en el desarrollo de materiales -palabra clave: materiales avanzados- pueden utilizarse para lograr nuevos avances", afirma Paul Appel, del equipo.
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