Un equipo de investigación internacional liderado por Philipp Adelhelm (Adelhelm) ha logrado un importante avance, cuyos resultados se publicaron en la revista Nature Materials, proporcionando nuevas ideas para el diseño de carga rápida y eficiente en baterías de iones de sodio.
La concepción tradicional considera que la intercalación co- (un proceso en el que se almacenan simultáneamente iones y moléculas de solvente) provoca una rápida degradación de la batería, por lo que no es bienvenida. Sin embargo, el equipo ha demostrado que el proceso de co-incrustación en materiales de cátodo de baterías de iones de sodio es reversible y rápido. El método de almacenar conjuntamente iones y solventes en el material de cátodo promete diseñar baterías eficientes y de carga rápida.
El rendimiento de las baterías se ve influido por múltiples factores, entre los que la forma de almacenamiento y liberación de iones en los materiales de electrodo es crucial. Los portadores de carga (iones) más grandes provocan un efecto de "respiración" al migrar hacia el electrodo, lo que genera cambios de volumen desfavorables y acorta la vida útil de la batería. Cuando los iones de sodio migran conjuntamente con moléculas de electrolito orgánico, los cambios de volumen son especialmente obvios, y el fenómeno de co-incrustación a menudo se considera que daña la vida útil de la batería. Pero en esta investigación, el equipo desarrolló materiales de cátodo que permiten la co-incrustación de iones y moléculas de solvente, logrando una carga y descarga más rápida.
En estudios anteriores, el equipo ya había demostrado que la combinación de sodio con moléculas de dimetoxietilenglicol puede migrar rápidamente y de manera reversible dentro y fuera del electrolito en el ánodo de grafito. Esta vez, para verificar este concepto en materiales de cátodo, el equipo exploró una serie de sulfuros de metales de transición en capas, determinando el proceso de intercalación de solventes en el material de cátodo.
El estudio integra los resultados de los últimos tres años: la Dra. Yanan Sun midió los cambios de volumen en materiales de cátodo, utilizando el dispositivo de radiación sincrotrón PETRA III del acelerador de electrones sincrotrón alemán (DESY) para análisis estructural, investigó las propiedades electroquímicas de diversas combinaciones de electrodos y solventes, y colaboró con el Dr. Gustav Avar para determinar parámetros importantes que ayudan a predecir reacciones futuras de intercalación co-.
El profesor Sun señaló que el proceso de intercalación co- en materiales de cátodo difiere mucho del ánodo de grafito. Las reacciones de intercalación co- en el ánodo de grafito a menudo resultan en una menor capacidad del electrodo, mientras que en los materiales de cátodo estudiados, la pérdida de capacidad causada por la intercalación co- es muy baja, y en algunos materiales de cátodo, la cinética es ultrarrápida, similar a la de un supercondensador.
Adelhelm indicó que las reacciones de intercalación co- ofrecen amplias perspectivas químicas para diseñar nuevos materiales en capas para diversas aplicaciones. Aunque explorar el concepto de intercalación co- va en contra del conocimiento tradicional de las baterías, estos descubrimientos son el resultado del esfuerzo conjunto de numerosos investigadores, gracias a las oportunidades proporcionadas por el grupo de investigación conjunta en análisis de baterías in situ financiado por el Centro Helmholtz de Berlín y la Universidad de Humboldt. Además, el Laboratorio de Baterías de Berlín, establecido recientemente por HZB, HU y BAM, proporcionará más oportunidades para proyectos de investigación conjunta en Berlín.
