Desde autos eléctricos que viajan cientos de millas con una sola carga hasta motosierras tan poderosas como las versiones a gasolina, Cada año llegan al mercado nuevos productos que aprovechan los avances recientes en la tecnología de baterías.

Pero ese crecimiento ha generado preocupaciones de que el suministro mundial de litio, el metal en el corazón de muchas de las nuevas baterías recargables, eventualmente puede agotarse.

Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han encontrado nueva evidencia que sugiere que las baterías basadas en sodio y potasio son prometedoras como una alternativa potencial a las baterías de litio.

"Uno de los mayores obstáculos para las baterías de iones de sodio y potasio ha sido que tienden a descomponerse y degradarse más rápido y retienen menos energía que las alternativas". "dijo Matthew McDowell, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

"Pero hemos descubierto que no siempre es así, "añadió.

Para el estudio, que fue publicado el 19 de junio en la revista Joule y fue patrocinado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU., el equipo de investigación analizó cómo tres iones diferentes:litio, sodio, y potasio:reaccionan con partículas de sulfuro de hierro, también llamado pirita y oro de los tontos.

A medida que las baterías se cargan y descargan, Los iones reaccionan constantemente y penetran en las partículas que forman el electrodo de la batería. Este proceso de reacción provoca grandes cambios de volumen en las partículas del electrodo, a menudo rompiéndolos en pedazos pequeños. Debido a que los iones de sodio y potasio son más grandes que el litio, Tradicionalmente se ha pensado que provocan una degradación más significativa al reaccionar con partículas.

En sus experimentos, las reacciones que ocurren dentro de una batería se observaron directamente dentro de un microscopio electrónico, con las partículas de sulfuro de hierro desempeñando el papel de un electrodo de batería. Los investigadores encontraron que el sulfuro de hierro era más estable durante la reacción con sodio y potasio que con litio, lo que indica que una batería de este tipo basada en sodio o potasio podría tener una vida mucho más larga de lo esperado.

La diferencia entre cómo reaccionaron los diferentes iones fue marcada visualmente. Cuando se expone al litio, Las partículas de sulfuro de hierro parecían casi explotar bajo el microscopio electrónico. De lo contrario, el sulfuro de hierro se expandió como un globo cuando se expuso al sodio y al potasio.

"Vimos una reacción muy robusta sin fracturas, algo que sugiere que este material y otros materiales similares podrían usarse en estas nuevas baterías con mayor estabilidad en el tiempo". "dijo Matthew Boebinger, estudiante de posgrado en Georgia Tech.

El estudio también arroja dudas sobre la noción de que los grandes cambios de volumen que ocurren durante la reacción electroquímica son siempre un precursor de la fractura de partículas. lo que provoca una falla en el electrodo que conduce a la degradación de la batería.

Los investigadores sugirieron que una posible razón de la diferencia en la forma en que los diferentes iones reaccionaban con el sulfuro de hierro es que era más probable que el litio concentrara su reacción a lo largo de los bordes afilados en forma de cubo de la partícula. mientras que la reacción con sodio y potasio fue más difusa a lo largo de toda la superficie de la partícula de sulfuro de hierro. Como resultado, la partícula de sulfuro de hierro al reaccionar con sodio y potasio desarrolló una forma más ovalada con bordes redondeados.

Si bien aún queda más trabajo por hacer, Los nuevos hallazgos de la investigación podrían ayudar a los científicos a diseñar sistemas de baterías que utilicen este tipo de materiales novedosos.

"Las baterías de litio siguen siendo las más atractivas en este momento porque tienen la mayor densidad de energía; puede almacenar mucha energía en ese espacio, "Dijo McDowell." Las baterías de sodio y potasio en este punto no tienen más densidad, pero se basan en elementos mil veces más abundantes en la corteza terrestre que el litio. Entonces podrían ser mucho más baratos en el futuro, lo cual es importante para el almacenamiento de energía a gran escala:energía de respaldo para los hogares o la red de energía del futuro ".