Los investigadores parecen tropezar con un electrolito para una batería de sodio

Agrandar / El sodio metálico reacciona con algo en casi todos los entornos que encuentra en la Tierra. Aquí, un nuevo corte muestra cuán extensas son sus reacciones con el aire. Las baterías a base de litio son excelentes porque se pueden usar con diferentes químicas de electrodos para una variedad de aplicaciones. El problema con ellos no tiene nada que ver con su desempeño. El desafío al que nos enfrentamos es que queremos fabricar muchas baterías; Si todos usan litio, sin duda enfrentaremos escasez de suministro. Una posible solución a esto es simplemente reemplazar el litio con otro ion. Las baterías alternativas pueden no ser tan buenas como las variantes de litio en todos los diferentes lugares en los que las usamos actualmente. Solo tiene que ser lo suficientemente bueno en una tarea para eliminar parte de la necesidad de pegar litio en todas partes. Esta es la razón de cierto interés en las baterías a base de sodio. Muy abundante y correspondientemente barato, el sodio se puede comportar un poco como el litio cuando se usa en una batería. Pero las baterías de sodio siempre presentan riesgos asociados con la tendencia del sodio a reaccionar de forma explosiva. Sin embargo, un electrolito sólido desarrollado recientemente sugiere que al menos algunos de los desafíos asociados con el sodio podrían superarse.

Un electrolito aleatorio

Hay una serie de tecnologías de baterías basadas en sodio como B. Baterías de azufre de sodio, que tienen poco en común con las baterías de litio. Pero las baterías de iones de sodio funcionan más o menos con los mismos principios que las de iones de litio e incluso pueden usar algunos de los mismos materiales que los electrodos a base de carbono. El sodio es más pesado, por lo que las baterías de iones de sodio no pueden alcanzar el mismo nivel de energía por peso que el litio. Pero nuevamente, el sodio es abundante y barato, por lo que las baterías de sodio pueden tener sentido en los casos en que el peso no es crítico, como en un automóvil. B. en casa y almacenamiento a nivel de red. El gran problema aquí es el sodio en sí mismo.Muchas baterías a base de litio usan un electrolito acuoso para obtener los iones entre los dos electrodos. Y no se sabe que el sodio se lleve bien con el agua. De hecho, reacciona vigorosamente para liberar hidrógeno, que luego explota. Los riesgos de incendio son problemáticos con los electrolitos no acuosos de las baterías de litio; Agregue la reactividad del sodio con el medio ambiente y los peligros son graves. Entonces, el electrolito parece un objetivo razonable para la investigación. Esto es algo sorprendente, porque el equipo de investigación parece haber tropezado accidentalmente con el electrolito. Los investigadores citan su trabajo sobre la síntesis del electrolito, y si sigues esa referencia encontrarás que es un agente de contraste de resonancia magnética. No está del todo claro cómo alguien tuvo la idea de probarlo con baterías, pero aquí estamos. El electrolito en sí es un llamado copolímero de bloque. Estas son moléculas formadas por dos clases diferentes de subunidades. El proceso de polimerización se controla para que termines con secciones de polímero formadas por repeticiones de una subunidad alternando con secciones formadas por la otra. (Estos tramos se denominan bloques, lo que le da su nombre al material). En este caso, uno de los dos bloques estaba basado en un compuesto de azufre y carbono; este polímero solo sirvió como material de control. Para el copolímero de bloques, el segundo bloque era un hidrocarburo con la mayoría de los átomos de hidrógeno reemplazados por átomos de flúor. La idea detrás del flúor era evitar una situación encontrada con electrolitos relacionados donde el sodio eventualmente interactuaría con el oxígeno en el polímero y, por lo tanto, quedaría atrapado en él en lugar de moverse. Si bien el copolímero en bloque es sólido, experimenta una transición de vidrio a plástico a las temperaturas que probablemente ocurran durante el funcionamiento con batería. En ambos estados, tiende a formar dominios distintos basados ​​en los dos bloques distintos, con el material fluorado creando canales internos que pueden acomodar el sodio y los otros bloques proporcionando integridad estructural. anuncio publicitario

¿Como funciona?

Los investigadores pasan gran parte del trabajo simplemente moviendo el sodio dentro y fuera del polímero y viendo qué sucede. Esto creó una capa de sodio en la superficie del material, un poco como la galvanoplastia. Es importante señalar que el sodio formó una superficie lisa sobre el polímero. Por el contrario, se formaron dendritas de sodio con bordes afilados en el polímero de control. Esto es importante porque la formación de dendritas es un punto de falla importante para las baterías de iones de litio. Crucialmente, este proceso siguió siendo reversible; el recubrimiento de sodio en el polímero podría invertirse y luego volver a colocarse. El rendimiento se mantuvo bien durante más de 200 ciclos de entrada y salida de sodio. Así que siguieron adelante y construyeron dos baterías diferentes. En ambas baterías, un electrodo era simplemente sodio metálico (un enfoque que se está desarrollando para el litio porque aumenta considerablemente la carga por peso). El otro electrodo almacenó sodio en un material de fosfato de vanadio y sodio o en fosfato de hierro y sodio. Ambas baterías funcionaron. El rendimiento disminuyó ligeramente a medida que se incrementó la corriente de carga/descarga, pero esto no resultó en un daño permanente al polímero; Bajar el rendimiento anterior restaurado actual. Pero lo principal era la estabilidad. Después de más de 900 ciclos, todavía tenía más del 97 por ciento de la capacidad original de la batería. Nada de esto quiere decir que se garantice que las baterías de sodio sean la próxima gran novedad. Cualquier batería que contenga un electrodo metálico de sodio incurrirá en algunos costos de ingeniería bastante significativos para mantener la seguridad, una técnica que podría compensar algunos de los ahorros de costos del uso de sodio y los ahorros de peso de un electrodo de metal. Pero se trata menos de tener tecnología madura ahora y más de tener una variedad de químicas de baterías en desarrollo hasta que la producción de baterías existente llegue al punto en que el litio se convierta en un factor limitante. Nature Materials, 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01296-0 (Acerca de los DOI).