es.wedoany.com Noticia: Un equipo de investigación liderado por el profesor asociado Palani Balaya, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Diseño e Ingeniería de la Universidad Nacional de Singapur, ha resuelto con éxito desafíos clave en la seguridad y el rendimiento de las baterías de sodio totalmente sólidas mediante el uso de un aditivo de nitruro de carbono grafítico (GCN) de bajo costo. Este logro proporciona una vía escalable para la fabricación de baterías de sodio totalmente sólidas seguras y económicas, y la investigación correspondiente se ha publicado en la revista Advanced Functional Materials.
La distribución desigual de los recursos de litio a nivel mundial y el aumento de sus costos han impulsado a la industria a buscar alternativas. El sodio es aproximadamente 1000 veces más abundante que el litio en la corteza terrestre y puede extraerse del agua de mar, lo que lo convierte en una opción ideal para el almacenamiento de energía a escala de red. Sin embargo, la mayoría de las baterías de iones de sodio dependen de electrolitos líquidos inflamables, lo que conlleva riesgos de seguridad. Los electrolitos poliméricos sólidos pueden eliminar estos peligros, pero su velocidad de conducción de iones de sodio es lenta y su contacto con el ánodo de sodio metálico es inestable, lo que facilita la formación de dendritas que provocan cortocircuitos.
El equipo de investigación añadió GCN a una película de electrolito polimérico hecha de óxido de polietileno y una sal de sodio. El GCN es un material rico en nitrógeno que se sintetiza calentando urea en aire a 550 grados Celsius, formando láminas de aproximadamente dos nanómetros de espesor. La alta superficie específica del GCN altera la tendencia del polímero a formar regiones cristalinas rígidas, promoviendo la formación de regiones desordenadas y flexibles que permiten un movimiento más libre de los iones de sodio; al mismo tiempo, los sitios activos ricos en nitrógeno en su superficie separan los iones de sodio de su sal de sodio correspondiente, liberando más portadores de carga. Este efecto combinado duplica la conductividad iónica del electrolito a 55 grados Celsius y aumenta el número de transporte de 0,19 a 0,51, reduciendo la polarización y mejorando la eficiencia.
El aditivo GCN también modificó la interfaz entre el electrolito y el electrodo de sodio metálico. La resistencia de este polímero compuesto es tres veces mayor que la del polímero no modificado, lo que impide físicamente la penetración de dendritas. Al mismo tiempo, el aditivo promueve la formación de una capa protectora a base de sodio rica en compuestos inorgánicos en la superficie del electrodo, guiando la deposición uniforme de sodio e inhibiendo reacciones secundarias. A una densidad de corriente de 0,1 mA cm⁻², el electrolito modificado funcionó de manera estable durante 1000 horas sin cortocircuitos, mientras que el electrolito no modificado sufrió un cortocircuito en 250 horas; a una densidad de corriente de 0,2 mA cm⁻², el electrolito modificado funcionó sin fallos durante más de 2000 horas.
El equipo de investigación ensambló una batería totalmente sólida con un cátodo de fosfato de vanadio y sodio dopado con zinc y recubierto de carbono, y un ánodo de sodio metálico para su evaluación. A una tasa de carga/descarga de 0,5C, la batería mantuvo el 95% de su capacidad después de 500 ciclos, con una eficiencia coulómbica de aproximadamente el 99,97%, y pudo soportar tasas de hasta 2C, recuperando el 99% de su capacidad al volver a tasas más bajas. Los investigadores también construyeron una batería de bolsa de una sola capa que pudo alimentar un diodo emisor de luz durante procesos de plegado, despliegue e incluso corte, sin sufrir cortocircuitos.
Este sistema totalmente sólido es el resultado más reciente del proyecto de investigación de baterías de iones de sodio de la Facultad de Diseño e Ingeniería de la Universidad Nacional de Singapur. El equipo también ha desarrollado electrolitos líquidos no inflamables que pueden soportar 60 segundos de contacto directo con una llama y permanecer estables a temperaturas de hasta 270 grados Celsius; además, ha desarrollado electrolitos ignífugos y cátodos de óxido laminar resistentes a la humedad. Actualmente, el equipo está optimizando las baterías de sodio totalmente sólidas para lograr un funcionamiento estable cerca de la temperatura ambiente, con el objetivo de alcanzar un rendimiento estable a 45 grados Celsius, mientras desarrolla arquitecturas bipolares totalmente sólidas para mejorar la densidad energética.
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