Investigadores de Empa y ETH Zurich han logrado por primera vez producir nanocristales de antimonio uniformes. Probado como componentes de baterías de laboratorio, estos pueden almacenar una gran cantidad de iones de litio y sodio. Estos nanomateriales operan a alta velocidad y eventualmente se pueden usar como materiales de ánodos alternativos en futuras baterías de alta densidad de energía.
La búsqueda está en marcha:nuevos materiales que se utilizarán en la próxima generación de baterías que algún día puedan reemplazar las baterías de iones de litio actuales. Hoy dia, estos últimos son comunes y proporcionan una fuente de alimentación confiable para teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y muchos otros dispositivos eléctricos portátiles. Por un lado, sin embargo, la movilidad eléctrica y el almacenamiento de electricidad estacionaria demandan un mayor número de baterías más potentes; y la alta demanda de litio puede eventualmente conducir a una escasez de materia prima. Esta es la razón por la que la tecnología conceptualmente idéntica basada en iones de sodio recibirá una atención cada vez mayor en los próximos años. Aunque investigado durante 20 años, los materiales que pueden almacenar iones de sodio siguen siendo escasos.
Electrodos de antimonio?
Un equipo de Empa y ETH Zurich encabezado por el investigador de Empa Maksym Kovalenko puede haber dado un paso más hacia la identificación de materiales de batería alternativos:se han convertido en los primeros en sintetizar nanocristales de antimonio uniformes, cuyas propiedades especiales los convierten en los principales candidatos para un material de ánodo para baterías de iones de litio y de iones de sodio. Los resultados del estudio de los científicos se acaban de publicar en Nano letras .
Por mucho tiempo, El antimonio se ha considerado un material de ánodo prometedor para baterías de iones de litio de alto rendimiento, ya que este metaloide presenta una alta capacidad de carga. por un factor de dos más alto que el del grafito de uso común. Los estudios iniciales revelaron que el antimonio podría ser adecuado para baterías recargables de iones de litio y sodio porque es capaz de almacenar ambos tipos de iones. El sodio se considera una posible alternativa de bajo costo al litio, ya que es mucho más abundante de forma natural y sus reservas están distribuidas de manera más uniforme en la Tierra.
Para que el antimonio alcance su alta capacidad de almacenamiento, sin embargo, necesita producirse en una forma especial. Los investigadores lograron sintetizar químicamente nanocristales de antimonio uniformes, los llamados "monodispersos", que tenían entre diez y veinte nanómetros de tamaño. Los nanocristales tienen una ventaja decisiva sobre las partículas de mayor tamaño:la litiación completa o sodiación del antimonio conduce a grandes cambios volumétricos. Usando nanocristales, estas modulaciones del volumen pueden ser reversibles y rápidas, y no conduzcan a la rotura inmediata del material. Una ventaja adicional importante de los nanocristales (o nanopartículas) es que se pueden entremezclar con un relleno de carbono conductor para evitar la agregación de las nanopartículas.
Candidato ideal para material de ánodo
Las pruebas electroquímicas mostraron que los electrodos hechos de nanocristales de antimonio funcionan igualmente bien en baterías de iones de sodio y litio. Esto hace que el antimonio sea particularmente prometedor para las baterías de sodio porque los mejores materiales de ánodo de almacenamiento de litio (grafito y silicio) no funcionan con sodio.
Nanocristales altamente monodispersos, con una desviación de tamaño del diez por ciento o menos, permiten identificar la relación óptima tamaño-rendimiento. Los nanocristales de diez nanómetros o menos sufren oxidación debido a la superficie excesiva. Por otra parte, Los cristales de antimonio con un diámetro de más de 100 nanómetros no son lo suficientemente estables debido a la expansión y contracción masiva de volumen antes mencionada durante el funcionamiento de una batería. Los investigadores lograron los mejores resultados con partículas grandes de 20 nanómetros.
Otro resultado importante del estudio, habilitado por estas partículas ultra uniformes, es que los investigadores identificaron un rango de tamaño de alrededor de 20 a 100 nanómetros, dentro del cual este material se muestra excelente, rendimiento independiente del tamaño, tanto en términos de densidad de energía como de capacidad de velocidad. Estas características permiten incluso utilizar partículas de antimonio polidispersas para obtener el mismo rendimiento que con partículas muy monodispersas. siempre que sus tamaños permanezcan dentro de este rango de tamaño de 20 a 100 nanómetros. Los experimentos del grupo de Kovalenko sobre nanopartículas monodispersas de otros materiales muestran relaciones mucho más pronunciadas entre tamaño y rendimiento, como un rápido deterioro del rendimiento al aumentar el tamaño de partícula, colocando el antimonio en una posición única entre los materiales que se alean con litio y sodio. "Esto simplifica enormemente la tarea de encontrar un método de síntesis económicamente viable", Dice Kovalenko. "El desarrollo de una síntesis tan rentable es el siguiente paso para nosotros, junto con nuestro socio industrial ".
Alternativa más cara
¿Significa esto que tenemos a nuestro alcance una alternativa a las baterías de iones de litio actuales? Kovalenko niega con la cabeza. Aunque el método es relativamente sencillo, la producción de un número suficiente de nanocristales de antimonio uniformes de alta calidad sigue siendo demasiado cara. "Considerándolo todo, Las baterías con iones de sodio y nanocristales de antimonio como ánodos solo constituirán una alternativa muy prometedora a las baterías de iones de litio actuales si los costos de producción son comparables. " él dice.
Lo más probable es que pase otra década más o menos antes de que una batería de iones de sodio con electrodos de antimonio llegue al mercado. La investigación sobre el tema está todavía en su infancia. "Sin embargo, otros grupos de investigación pronto se unirán a los esfuerzos, "El químico está convencido.
En resumen:baterías de iones de litio
Una batería de iones de litio actual consta de dos electrodos:un cátodo y un ánodo. El ánodo suele estar hecho de grafito, el cátodo de óxidos metálicos como el óxido de cobalto. Los iones de litio se alojan en estos materiales durante los procesos de carga o descarga. Los dos electrodos están separados por un separador permeable solo para los iones de litio que viajan entre los dos electrodos. Durante la descarga de la batería, los iones de litio se desplazan del ánodo al cátodo. Los electrones toman un "desvío" a través de un dispositivo electrónico externo, que es impulsado por el flujo de electrones resultante. Los electrones y los iones se vuelven a encontrar en el cátodo. Cuando la batería se está cargando, Los iones y electrones de litio fluyen en la dirección opuesta. Para que la batería funcione de forma eficaz y durante mucho tiempo, los iones deben poder entrar y salir fácilmente de los materiales del electrodo. La forma y el tamaño de los materiales de los electrodos no deberían cambiar mucho debido a la absorción y liberación recurrentes de los iones.
