Baterías recargables más baratas y eficientes con carbono duro e iones de sodio

Las baterías recargables rentables están en el corazón de prácticamente todos los dispositivos electrónicos portátiles, que se han vuelto omnipresentes en la vida diaria. Además, las baterías recargables son componentes esenciales en muchas tecnologías respetuosas con el medio ambiente, como los coches eléctricos y los sistemas que acumulan energía renovable. También son habilitadores clave de algunos dispositivos médicos y facilitan la investigación en diversos campos como la fuente de energía de cámaras y sensores electrónicos. Por lo tanto, no debería sorprendernos que se esté haciendo un gran esfuerzo para desarrollar baterías recargables más eficientes y baratas.

Hasta ahora, las baterías recargables de iones de litio ocupan el primer lugar gracias a su gran rendimiento en todos los ámbitos en términos de capacidad, estabilidad, precio y tiempo de carga. Sin embargo, el litio y otros metales menores y costosos como el cobalto y el cobre no se encuentran entre los materiales más abundantes en la corteza terrestre, y su demanda cada vez mayor pronto conducirá a problemas de suministro en todo el mundo. En la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, el profesor Shinichi Komaba y sus compañeros se han esforzado por encontrar una solución a este problema mediante el desarrollo de baterías recargables que utilizan materiales alternativos más abundantes.

En un estudio reciente publicado en Angewandte Chemie International Edition, el equipo encontró un método energéticamente eficiente para producir un nuevo material a base de carbono para baterías de iones de sodio. Además del profesor Komaba, el equipo también incluyó a la investigadora Azusa Kamiyama y al profesor asociado Kei Kubota, ambos de la Universidad de Ciencias de Tokio, al Dr. Yong Youn y al Dr. Yoshitaka Tateyama, del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, y al profesor asociado Kazuma Gotoh de la Universidad de Okayama, Japón. El estudio se centró en la síntesis de carbono duro, un material altamente poroso que sirve como electrodo negativo de baterías recargables, mediante el uso de óxido de magnesio (MgO) como plantilla inorgánica de poros de tamaño nanométrico dentro del carbono duro.

La capacidad de este material de electrodo de carbono duro recientemente desarrollado es ciertamente notable y supera con creces la del grafito, usado en baterías recargables de iones de litio

Los investigadores exploraron una técnica diferente para mezclar los ingredientes de la plantilla de óxido de magnesio con el fin de sintonizar con precisión la nanoestructura del electrodo de carbono duro resultante. Después de múltiples análisis experimentales y teóricos, dilucidaron las condiciones óptimas de fabricación y los ingredientes para producir carbón duro con una capacidad de 478 mAh/g, la más alta jamás informada en este tipo de material. El profesor Komaba afirma que «hasta ahora, la capacidad de los materiales de los electrodos negativos a base de carbono para las baterías de iones de sodio era en su mayoría de 300 a 350 mAh/g. Aunque se han informado valores cercanos a 438 mAh/g, esos materiales requieren tratamiento térmico a temperaturas extremadamente altas por encima de 1900°C. En contraste, nosotros empleamos tratamiento térmico a sólo 1500°C, una temperatura relativamente baja«. Por supuesto, una temperatura más baja conlleva un menor gasto de energía, lo que también significa un menor costo y un menor impacto ambiental.

La capacidad de este material de electrodo de carbono duro recientemente desarrollado es ciertamente notable y supera con creces la del grafito (372 mAh/g), que se utiliza actualmente como material de electrodo negativo en baterías de iones de litio. Además, aunque una batería de iones de sodio con este electrodo negativo de carbono duro funcionaría en teoría con una diferencia de voltaje de 0,3 voltios menor que una batería de iones de litio estándar, la mayor capacidad de la primera conduciría a una densidad de energía mucho mayor por peso (1600 Wh/kg frente a 1430 Wh/kg), lo que se traduce en un aumento de la densidad de energía de un 19%.

Emocionado por los resultados y con los ojos puestos en el futuro, el profesor Komaba comenta que «nuestro estudio demuestra que es posible realizar baterías de iones de sodio de alta energía, anulando la creencia común de que las baterías de iones de litio tienen una mayor densidad energética. El carbono duro con una capacidad extremadamente alta que desarrollamos ha abierto una puerta hacia el diseño de nuevos materiales de almacenamiento de sodio«.

Se requerirán más estudios para verificar que el material propuesto realmente ofrece una vida útil superior, características de entrada-salida y operación a baja temperatura en baterías de iones de sodio reales. ¡Con un poco de suerte, podríamos estar a punto de presenciar la próxima generación de baterías recargables!

Fuente: Angewandte Chemie International Edition.