El futuro prometedor de las baterías de iones de sodio

Los aglutinantes de alta densidad utilizados para desarrollar electrodos de carbono duro en el estudio mejoraron significativamente la estabilidad y la capacidad de velocidad de las baterías de iones de sodio, allanando el camino para su comercialización. Crédito: Noriyoshi Matsumi de JAIST

Los investigadores han mejorado el rendimiento de los electrodos de carbono duro en baterías de iones de sodio utilizando un nuevo aglutinante de ácido polifumárico de alta densidad funcional.

Las baterías de iones de litio son una tecnología clave en el almacenamiento de energía, pero la disponibilidad limitada de litio plantea desafíos. A medida que aumenta la demanda de sistemas de almacenamiento de energía, existe una tendencia a encontrar materiales asequibles y fácilmente disponibles para baterías recargables. Las baterías de iones de sodio (SIB) han surgido como una alternativa prometedora, utilizando los abundantes recursos de sodio que se encuentran en el agua de mar y los depósitos de sal.

Se han realizado muchas investigaciones para mejorar los materiales para electrodos positivos (cátodos), electrodos negativos (ánodos) y electrolitos para mejorar la estabilidad de ciclo largo y lograr una interfaz delgada de electrolito sólido (SEI) para SIB. SEI es una capa pasiva formada en la superficie del ánodo durante los ciclos iniciales de carga/descarga, que evita que el ánodo se degrade debido a reacciones con el electrolito.

Un SEI bien formado es crucial para el rendimiento de la batería. En este contexto, el carbono duro (HC) se ha convertido en un material anódico prometedor. Aún así, su comercialización ha sido difícil ya que forma un SEI irregular, espeso y débil debido al mayor consumo de electrolitos, lo que reduce la estabilidad de carga/descarga y las velocidades de reacción. Para abordar estos problemas, aglutinantes como las sales de carboximetilcelulosa, poli(acrílicos) ácido) y se utilizaron poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF). Sin embargo, estos aglutinantes provocan una difusión lenta de los iones Na en el ánodo, lo que lleva a una capacidad de velocidad deficiente de los SIB basados ​​en HC.

Avance en JAIST

Para superar estas deficiencias, el profesor Noriyoshi Matsumi y el estudiante de doctorado Amarshi Patra del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) desarrollaron un ánodo de HC utilizando poli(ácido fumárico) (PFA) que se une. Sus hallazgos fueron publicados en Revista de química de materiales A el 10 de mayo de 2024.

Al explicar los beneficios del PFA, el profesor Matsumi dice: «A diferencia de los aglutinantes de poli(ácido acrílico) convencionales, el PFA es un polímero de alta densidad funcional con ácido carboxílico presente en todos los átomos de la cadena principal de carbono. Esto permite que el PFA mejore la difusión de el ion Na debido a la presencia de sitios de salto de iones altamente concentrados y para adherirse al electrodo con más fuerza. Además, los aglutinantes de PFA ofrecen solubilidad en agua y no toxicidad, y su precursor, el ácido fumárico, es un polímero de base biológica”.

Los aglutinantes de ácido polifumárico mejoran la velocidad de difusión de iones y la adhesión del colector de corriente de ánodos de carbono duro en baterías de iones de sodio, lo que da como resultado una excelente estabilidad cíclica y capacidad específica. Crédito: Noriyoshi Matsumi de JAIST

Los investigadores sintetizaron PFA mediante hidrólisis de poli(ésteres de fumarato). A continuación, mezclaron HC, carbón Super P y PFA en agua para formar una suspensión acuosa, que se recubrió con una lámina de cobre y se secó durante la noche para producir un ánodo de HC. Este ánodo, junto con un disco metálico de sodio como contraelectrodo y NaClO 1,0 M₄ como electrolito, se utilizó para construir una media celda de tipo ánodo.

Los investigadores realizaron una prueba de pelado para probar el efecto de unión entre los componentes del electrodo y el colector de corriente de cobre. En particular, es necesaria una fuerte adhesión para una larga vida útil de los SIB. Se encontró que la fuerza de pelado del electrodo de HC que contenía aglutinante de PFA era de 12,5 N, que era significativamente mayor que la de los electrodos de poli(ácido acrílico)-HC con 11,5 N y los electrodos de PVDF-HC con 9,8 N de fuerza de pelado.

La media celda del ánodo fue sometida a varias pruebas electroquímicas y de rendimiento de la batería. En las pruebas del ciclo de carga/descarga, la media celda del ánodo mostró capacidades específicas de 288 mAhg.^-1 y 254 mAh^-1 a densidades actuales de 30 mg^-1 y 60 revistas^-1, respectivamente, significativamente mejores que los electrodos de tipo PVDF y poli(ácido acrílico). También mostró una excelente estabilidad en ciclos largos, conservando el 85,4% de su capacidad después de 250 ciclos. El ánodo formó un SEI delgado y no mostró formación de grietas ni descamación, lo que contribuyó a mejorar la durabilidad del centro de la celda. Además, el coeficiente de difusión del ion Na para el electrodo PFA-HC fue 1,9 × 10^-13 cm²/s, superior a los electrodos de poli(ácido acrílico)-HC y PVDF-HC.

Implicaciones futuras y conclusión

Estos hallazgos pueden conducir al desarrollo de SIB con un rendimiento electroquímico mejorado. Mirando hacia el futuro, Prof. Matsumi dice: «En este material polimérico, son posibles varias modificaciones estructurales a través de diferentes reacciones poliméricas, que pueden mejorar aún más el rendimiento. En el futuro, nuestro objetivo es realizar investigaciones conjuntas con empresas para su implementación comercial. Además, como agua- Aglutinante soluble y no tóxico que mejora la durabilidad, no sólo se puede aplicar en SIB sino también en una amplia gama de dispositivos de almacenamiento de energía».

En general, este nuevo material puede conducir a un uso más generalizado de dispositivos energéticos de bajo coste basados ​​en SIB, lo que conduciría a una sociedad más eficiente energéticamente y neutra en carbono.

Referencia: «Aglutinante de poli(hidroxicarbonilmetileno) soluble en agua densamente funcionalizado para baterías de iones de sodio basadas en ánodos de carbono duro de alto rendimiento» por Amarshi Patra y Noriyoshi Matsumi, 10 de mayo de 2024, Revista de química de materiales A.
DOI: 10.1039/D4TA00285G

El estudio fue financiado por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes y Tecnología (MEXT) de Japón.