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Un nuevo material impulsa las baterías de iones de sodio para intentar ser una alternativa al costoso litio

6 agosto, 2022 Deja un comentario

Con los precios del litio mucho más altos a los de hace un año, investigadores de Skoltech y la Universidad Estatal de Lomonosov han desarrollado un material para baterías de iones de sodio que ofrece una alternativa a la cada vez más cara tecnología de iones de litio.

El nuevo material es un polvo de fluoruro de fosfato de sodio y vanadio con una estructura cristalina particular. Utilizado en el cátodo de la batería, proporciona una capacidad de almacenamiento de energía récord, eliminando uno de los cuellos de botella de la emergente tecnología de iones de sodio.

Las baterías de iones de litio están por todas partes: Entre otras cosas, alimentan la electrónica portátil y los vehículos eléctricos, y almacenan la energía producida por los parques eólicos para equilibrar los patrones de viento irregulares.

Sin embargo, depender sólo del litio es arriesgado, porque sus productos químicos son cada vez más caros, su producción es bastante sucia y los yacimientos de mineral están distribuidos de forma desigual por todo el mundo.

Un escalón más abajo en la tabla periódica, el metal alcalino sodio, mucho más abundante, se presta como posible alternativa al litio.

Hasta ahora, la tecnología de las baterías de iones de sodio es relativamente nueva, y aunque la arquitectura básica de la célula de la batería es la misma, hay que utilizar materiales diferentes para los componentes principales.

Entre ellos, el cátodo es crucial para las características de la batería. Investigadores de Skoltech y la MSU presentan un nuevo material para el cátodo que garantiza una densidad de energía de la batería entre un 10% y un 15% mayor que la del mejor competidor actual.

Tanto nuestro nuevo material como el que la industria ha utilizado recientemente se denominan fluoruro de fosfato de sodio y vanadio: están hechos de átomos de los mismos elementos. Lo que los diferencia es la disposición de esos átomos y la proporción en que están contenidos en el compuesto.

Nuestro material también se compara bien con la clase de materiales en capas para cátodos: Proporciona aproximadamente la misma capacidad de la batería y una mayor estabilidad, lo que se traduce en una mayor vida útil y una mayor rentabilidad de la batería.

Sorprendentemente, incluso las predicciones teóricas de los materiales de la competencia no alcanzan el rendimiento práctico del nuestro, y esto no es nada trivial, porque el potencial teórico nunca se alcanza del todo.

Stanislav Fedotov, Universidad de Skoltech.

Según los científicos, una vez que se investigue más sobre materiales eficientes para las baterías de iones de sodio, éstas podrían desbancar a los acumuladores de iones de litio en vehículos eléctricos pesados, como autobuses y camiones, así como en el almacenamiento de energía estacionaria en parques eólicos, solares y otros lugares.

La mayor capacidad de almacenamiento de energía es sólo una de las ventajas de este material. También permite que el cátodo funcione a temperaturas ambiente más bajas, lo que es especialmente importante para Rusia.

Stanislav Fedotov

De hecho, la comunidad de baterías tiende a buscar nuevos materiales de forma empírica, por ensayo y error, o con estudios de alto rendimiento que prueban grandes conjuntos de materiales. Nosotros lo enfocamos de forma diferente y favorecemos el diseño racional de la química del estado sólido. Eso significa que nos basamos en la ciencia dura, utilizando las leyes y principios fundamentales de la química del estado sólido para llegar al material con las propiedades deseadas.

Las consideraciones teóricas nos llevaron a la fórmula básica de un material que podría proporcionar una alta capacidad de almacenamiento de energía. A continuación, teníamos que determinar qué estructura cristalina liberaría ese potencial. La que elegimos se conoce como estructura de tipo KTP, y procede de la óptica no lineal; no es muy habitual en la ingeniería de baterías. Después de pensar y teorizar detenidamente, nos dimos cuenta de que este compuesto concreto con esa estructura cristalina en particular debería funcionar. Luego conseguimos sintetizarlo mediante el intercambio de iones a baja temperatura. Y ahí está, con sus características superiores ahora confirmadas por un experimento».

Semyon Shraer, becario de investigación en Skoltech y autor principal del trabajo.

Vía techxplore.com

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Publicado en: Almacenamiento de energía

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