Investigadores de la Academia China de Ciencias y la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) han desarrollado un método para predecir la estructura atómica de las baterías de iones de sodio. Hasta ahora, esto era imposible incluso con las mejores supercomputadoras. Los hallazgos pueden acelerar significativamente la investigación sobre baterías de iones de sodio. Como resultado, este tipo de batería puede convertirse en una tecnología seria junto a las populares baterías de iones de litio que se encuentran en nuestros teléfonos inteligentes, laptops y autos eléctricos. Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista. Ciencias .

Teléfonos móviles, las laptops y los autos eléctricos contienen baterías de iones de litio. En términos de rendimiento y densidad energética, estas baterías no tienen rival. Sin embargo, la dependencia comercial de un tipo de batería también tiene sus desventajas. Toma cobalto por ejemplo. Hasta aquí, a pesar de una gran cantidad de investigación, no ha sido posible producir baterías de iones de litio sin este recurso excepcional. El cobalto se extrae casi exclusivamente en el Congo en condiciones duras y con un gran impacto en el medio ambiente.

El litio es un recurso que puede resultar problemático a largo plazo. "En este momento, tenemos más que suficiente, ", dice el investigador de TU Delft, Marnix Wagemaker." Pero si todos vamos a conducir eléctricamente en el futuro y si necesitamos baterías grandes para almacenar energía solar en casa, también necesitaremos una enorme cantidad de litio ”. Eso podría convertirse en un problema porque las reservas de litio son cualquier cosa menos infinitas.

Sal de cocina

Los investigadores creen que las baterías de iones de sodio tienen potencial. El nombre lo dice todo:en lugar de litio, este tipo de batería se basa en sodio, que se encuentra en la sal de cocina, entre otras cosas. En teoria, Las baterías de iones de sodio no funcionan tan bien como las baterías de iones de litio, pero la brecha no es tan grande. Wagemaker dice:"A escala de laboratorio, Las baterías de iones de sodio pueden alcanzar una densidad de energía que es solo de un 20 a un 30% más baja que la de las baterías de iones de litio. Por tanto, no son competitivos cuando se trata de teléfonos móviles o coches eléctricos. Pero para situaciones en las que el peso es un poco menos importante, por ejemplo, en aplicaciones marítimas o en vehículos que se pueden cargar con frecuencia, pueden ser una buena alternativa ".

Las baterías de iones de sodio también serían adecuadas para uso estacionario, por ejemplo, en una pared de energía en casa o en un parque de baterías que almacena energía eólica y solar. Además, Las baterías de iones de sodio brindan más oportunidades en el uso de materias primas para construir electrodos positivos mejores y más baratos. Esta versatilidad hace que sea mucho más fácil deshacerse del cobalto, por ejemplo, en comparación con los electrodos positivos de las baterías de iones de litio. El cobalto no solo es caro sino que también plantea un problema ético desde el punto de vista de la explotación laboral.

Infinito

Irónicamente, esta versatilidad es también la maldición de la batería de iones de sodio. Las baterías de iones de litio solo funcionan con un número limitado de materias primas y estructuras de materiales, y está relativamente claro cuál es la mejor "receta" para un cátodo. No es así para las baterías de iones de sodio. "Dependiendo del cóctel preciso de elementos, Terminará con diferencias sutiles en la estructura atómica del electrodo positivo, que tienen un gran impacto en el rendimiento de la batería, "Explica Wagemaker." Con solo un puñado de elementos, Hay tantas posibilidades estructurales que ni siquiera la supercomputadora más rápida puede predecir cómo resultarán las diferentes combinaciones. Como resultado, el desarrollo de nuevos materiales es lento ".

Por lo menos, ese ha sido el caso hasta ahora. Pero los investigadores de Delft y sus colegas chinos han encontrado una manera de predecir la receta ideal para el cátodo. A nivel atómico, un cátodo se parece mucho a un sándwich:se compone de varias capas, con iones en el medio. "Al principio parecía que el tamaño de los iones determinaba la estructura atómica, "dice Wagemaker." Pero pronto quedó claro que ese no era el único factor. La distribución de la carga eléctrica de los iones juega un papel fundamental ".

Geología

Esta fue una idea crucial para los investigadores porque la relación entre el tamaño de un ion y su carga, el llamado "potencial iónico, "se sabe que tiene valor predictivo". En geología, esta relación se ha utilizado durante décadas para comprender por qué, por ejemplo, ciertos óxidos de hierro son más solubles que otros, "dice Wagemaker." Esto puede revelar algo sobre la formación de ciertos estratos de la tierra, o sobre otros procesos geológicos ".

La pregunta era si esta relación también sería útil a escala atómica. Resultó que sí. Los investigadores desarrollaron una fórmula simple basada en el potencial iónico. "Con esta fórmula podemos predecir qué estructura obtendremos en qué proporción de una selección de materias primas, ", dice Wagemaker." La fórmula nos guía a través de la enorme cantidad de posibilidades de los materiales de los electrodos que pueden ofrecer el mejor rendimiento ".

En aumento

Los investigadores también probaron su fórmula diseñando nuevos materiales. "Intentamos hacer un cátodo con la mayor densidad de energía posible, y uno que puedas cargar muy rápido, "dice Wagemaker". En ambos casos, Tuvimos éxito. En términos de densidad de energía, estábamos justo en el límite superior de lo que es posible. Me gusta el hecho de que una fórmula tan simple basado en una idea muy antigua de la geología, puede hacer predicciones a escala atómica con tanta precisión ".

Esta investigación se centró en una parte de una batería:el cátodo. Un siguiente paso lógico es mirar también otros tipos de estructuras, tanto en electrodos como en electrolitos para varios tipos de baterías. ¿Puede este nuevo enfoque también desempeñar un papel allí? Marnix Wagemaker cree que sí. "Vamos a explorar eso en el próximo período. Con esta investigación esperamos acelerar el desarrollo de materiales para las próximas generaciones de baterías".