Los científicos han diseñado un nuevo tipo de cátodo que podría hacer más factible la producción en masa de baterías de sodio. Las baterías basadas en sodio abundante y de bajo costo son de gran interés tanto para los científicos como para la industria, ya que podrían facilitar un proceso de producción más rentable para sistemas de almacenamiento de energía a escala de red. electrónica de consumo y vehículos eléctricos. El descubrimiento fue un esfuerzo de colaboración entre investigadores del Instituto de Química (IOC) de la Academia de Ciencias de China (CAS) y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Las baterías de litio se encuentran comúnmente en productos electrónicos de consumo como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. pero en los últimos años, la industria de los vehículos eléctricos también comenzó a utilizar baterías de litio, aumentando significativamente la demanda de los recursos de litio existentes.

"Solo el año pasado, el precio del carbonato de litio se triplicó, porque el mercado chino de vehículos eléctricos comenzó a crecer, "dijo Xiao-Qing Yang, un físico de la División de Química de Brookhaven Lab y el investigador principal de Brookhaven en este estudio.

Además, El desarrollo de nuevas redes eléctricas que incorporan fuentes de energía renovables como la eólica y la solar también está impulsando la necesidad de nuevas químicas para las baterías. Debido a que estas fuentes de energía no siempre están disponibles, Se necesitan sistemas de almacenamiento de energía a escala de red para almacenar el exceso de energía producida cuando brilla el sol y sopla el viento.

Los científicos han estado buscando nuevas sustancias químicas para baterías utilizando materiales que están más disponibles que el litio. El sodio es una de las opciones más deseables para los investigadores porque existe en casi todas partes y es mucho menos tóxico para los humanos que el litio.

Pero el sodio plantea grandes desafíos cuando se incorpora a un diseño de batería tradicional. Por ejemplo, El cátodo de una batería típica está formado por iones de metal y oxígeno dispuestos en capas. Cuando se expone al aire, los metales en el cátodo de una batería de sodio se pueden oxidar, disminuyendo el rendimiento de la batería o incluso dejándola completamente inactiva.

Los investigadores del COI de CAS y la Universidad Normal de Jiangxi buscaron resolver este problema sustituyendo diferentes tipos de metales en el cátodo y aumentando el espacio entre estos metales. Luego, utilizando la línea de luz de espectroscopia de capa interna (ISS) en la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE, los investigadores de Brookhaven compararon las estructuras de los materiales de la batería con materiales no sustituidos con estos nuevos materiales de batería con metales sustitutos .

"Usamos la línea de luz para determinar cómo los metales en el material del cátodo cambian los estados de oxidación y cómo se correlaciona con la eficiencia y la vida útil de la estructura de la batería, "dice Eli Stavitski, un físico en la línea de luz de la ISS ".

La línea de luz de la ISS fue la primera línea de luz de espectroscopia de rayos X operativa en NSLS-II. Aquí, Los investigadores hacen brillar un haz de rayos X ultrabrillante a través de los materiales para observar cómo se absorbe o se reemite la luz. Estas observaciones permiten a los investigadores estudiar la estructura de diferentes materiales, incluyendo sus estados químicos y electrónicos.

La línea de luz de la ISS, que está diseñado específicamente para experimentos de alta velocidad, permitió a los investigadores medir cambios en tiempo real en la batería durante los procesos de carga y descarga. Según sus observaciones realizadas en la línea de luz, El equipo de Brookhaven descubrió que la oxidación se suprimió en las baterías de sodio con metales sustituidos, lo que indica que las baterías de sodio de nuevo diseño eran estables cuando se exponían al aire. Este es un gran paso adelante para permitir la futura producción en masa de baterías de sodio.

Los investigadores dicen que este estudio es el primero de muchos que utilizarán la línea de luz de la ISS en NSLS-II para avanzar en el estudio de las baterías.