Investigación berlinesa sobre la estabilidad de las baterías de iones de sodio
Las baterías de iones de sodio siguen teniendo varios puntos débiles, que los investigadores del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) y de la Humboldt-Universität zu Berlin creen que podrían remediarse optimizando los materiales de las baterías. Una opción es dopar el material del cátodo con elementos extraños: en Berlín se investigaron específicamente el escandio y el magnesio. El equipo de científicos descubrió dos mecanismos contrapuestos que determinan la estabilidad de los cátodos.
El punto de partida de la investigación fue la constatación de que los materiales catódicos hechos de óxidos de metales de transición estratificados con los elementos níquel y manganeso (cátodos NMO) son especialmente prometedores para las baterías de iones de sodio. Esto se debe a que forman estructuras huésped en las que los iones de sodio pueden almacenarse durante la descarga y liberarse de nuevo durante la carga. "Sin embargo, existe el riesgo de que se produzcan reacciones químicas que mejoren inicialmente la capacidad, pero que luego desencadenen cambios estructurales locales y degraden así el material del cátodo", según un comunicado de prensa adjunto de HZB.
Aquí es donde entra en juego el dopaje del material del cátodo con elementos extraños. Los investigadores seleccionaron elementos que tienen radios iónicos similares al níquel (Ni2+) pero un estado de valencia diferente, como iones de magnesio (Mg2+) o iones de escandio (Sc3+). "Los resultados nos sorprendieron", afirmó la Dra. Katherine Mazzio, que trabaja en el grupo de investigación conjunto de Análisis Operando de Baterías de la HZB y la Humboldt-Universität zu Berlin. Aunque el dopaje con escandio provocó menos cambios estructurales durante el ciclo electroquímico que el dopaje con magnesio, no mejoró la estabilidad. "Hasta ahora, se pensaba que suprimir las transiciones de fase (y, por tanto, los cambios de volumen) también mejoraría el rendimiento del material del cátodo durante muchos ciclos. Pero eso no es suficiente", fue la conclusión.
El dopaje con magnesio suprimió aún más la reacción redox del oxígeno en el NMO. Según los investigadores, esto también fue inesperado, ya que se sabe que el magnesio desencadena una reacción redox del oxígeno en los óxidos de manganeso estratificados. "Analizamos diferentes relaciones Mg/Ni en NMO y descubrimos que la reacción redox del oxígeno alcanza un mínimo en una relación cercana a 1", explica Mazzio. "Sólo mediante una combinación de técnicas avanzadas de rayos X pudimos demostrar que no sólo la supresión de las transiciones de fase es importante para mejorar el comportamiento cíclico a largo plazo, sino que también la interacción entre la actividad redox del Ni y el O dicta el rendimiento".
0 Comentarios