El grafeno sacude la capacidad de las baterías de iones de sodio

El grafeno sacude la capacidad de las baterías de iones de sodio

Después de años de anticipación, las baterías de iones de sodio están empezando a funcionar en su promesa de almacenamiento de energía. Pero hasta ahora, su comercialización se limita a usos a gran escala como almacenar energía en la red. Baterías de iones de sodio solo no tengo el empuje necesario para vehículos eléctricos y portátiles. Con aproximadamente 285 Wh / kg, las baterías de iones de litio tienen el doble de densidad energética que el sodio, lo que las hace más adecuadas para esas aplicaciones portátiles.

Los investigadores ahora informan sobre un nuevo tipo de electrodo de grafeno que podría aumentar la capacidad de almacenamiento de las baterías de sodio para competir con las del litio. El material puede contener casi tantos iones de sodio por volumen como un electrodo de grafito convencional contiene litio. Abre un camino para hacer prácticas las baterías de sodio compactas y de bajo costo.

Abundante y barato, y con propiedades químicas similares a las del litio, el sodio es un sustituto prometedor del litio en las baterías de próxima generación. La estabilidad y seguridad de las baterías de sodio las hace especialmente prometedoras para la electrónica y los automóviles, donde las baterías de iones de litio sobrecalentadas a veces han demostrado ser peligrosas.

«Pero actualmente el mayor problema con las baterías de iones de sodio es que no tenemos un material de ánodo adecuado», dice Jinhua Sun, investigadora del departamento de ciencia industrial y de los materiales de la Universidad Tecnológica de Chalmers.

Para que la batería se cargue rápidamente y almacene mucha energía, los iones deben entrar y salir fácilmente del material del ánodo. Las baterías de iones de sodio usan cátodos hechos de óxidos metálicos de sodio, mientras que sus ánodos son típicamente ánodos a base de carbono al igual que sus primos de litio; aunque Santa Clara, con sede en California Energía Natron está fabricando sus ánodos y cátodos con el pigmento azul de Prusia que se utiliza en tintes y pinturas.

Algunos desarrolladores de baterías de sodio utilizan carbón activado para el ánodo, que contiene iones de sodio en sus poros. «Pero es necesario utilizar carbón activado de alta calidad, que es muy caro y no fácil de producir», dice Sun.

El grafito, que es el material del ánodo en las baterías de iones de litio, es una opción de menor costo. Sin embargo, los iones de sodio no se mueven de manera eficiente entre la pila de hojas de grafeno que forman el grafito. Los investigadores solían pensar que esto se debía a que los iones de sodio son más grandes que los iones de litio, pero resulta que los iones de potasio aún más grandes pueden entrar y salir fácilmente en el grafito, dice Sun. «Ahora creemos que es la química de la superficie de las capas de grafeno y la estructura electrónica la que no puede acomodar los iones de sodio».

Él y sus colegas han creado un nuevo material similar al grafito que supera estos problemas. Para hacerlo, cultivan una sola hoja de grafeno en una lámina de cobre y unen una sola capa de moléculas de benceno a su superficie superior. Cultivan muchas de estas láminas de grafeno y las apilan para hacer una torta de capas de grafeno mantenida separada por moléculas de benceno.

La capa de benceno aumenta el espacio entre las capas para permitir que los iones de sodio entren y salgan fácilmente. También crean defectos en la superficie del grafeno que actúan como sitios de reacción para adsorber los iones. Además, el benceno tiene grupos químicos que se unen fuertemente a los iones de sodio.

Esta estrategia aparentemente simple aumenta drásticamente la capacidad de almacenamiento de iones de sodio del material. Los cálculos de los investigadores muestran que la capacidad coincide con la capacidad del grafito para el litio. La capacidad del grafito para los iones de sodio suele ser de aproximadamente 35 miliamperios-hora por gramo, pero el nuevo material puede contener más de 330 mAh / g, aproximadamente lo mismo que la capacidad de almacenamiento de litio del grafito.

El grafeno sacude la capacidad de las baterías de iones de sodio