Investigadores de la Universidad de Nanjing han desarrollado una estrategia mediada por hierro para resolver los problemas de degradación estructural en cátodos de baterías de iones de sodio de alta energía.
Las baterías de iones de sodio han surgido como una alternativa prometedora a los sistemas de iones de litio. El sodio es mucho más abundante y significativamente más económico. Sin embargo, construir una batería de sodio que almacene suficiente energía sin degradarse rápidamente ha sido un desafío para los científicos de materiales durante años.
Para aumentar la densidad energética, los científicos fuerzan a los átomos de oxígeno dentro del cátodo a participar en el almacenamiento de energía, un proceso conocido como redox de oxígeno en red. Esto aumenta la potencia, pero daña la batería. Una vez oxidado, el oxígeno rara vez regresa a su estado original, provocando que la estructura cristalina del cátodo se agriete y degrade durante los ciclos de carga profunda.
El equipo de la Universidad de Nanjing resolvió este problema estructural integrando iones de hierro en un cátodo en capas personalizado, creando efectivamente un "lanzadera de electrones" a escala atómica.
"Como resultado, el cátodo activado por oxígeno en red permite que una celda de bolsa de iones de sodio alcance una densidad energética de 206 Wh kg−1 y opere de manera estable durante 100 ciclos a 50 mA g−1, con una retención de capacidad del 87.8 por ciento", señalaron los investigadores.
¿Cómo funciona la solución mediada por hierro?
Las baterías de iones de litio dominan actualmente el mercado, pero los investigadores exploran activamente alternativas de sodio debido a que este elemento es más abundante y rentable. Un desafío clave de diseño involucra el cátodo de óxido en capas de la batería, donde la participación del oxígeno estructural en reacciones redox aumenta la densidad energética, pero a menudo causa daños estructurales.
Como el oxígeno oxidado rara vez vuelve a su estado químico original durante las cargas y descargas repetidas, esta reversibilidad limitada degrada rápidamente la integridad del cátodo y el rendimiento general de la batería con el tiempo.
Para superar este desafío de degradación, los investigadores desarrollaron una estrategia mediada por hierro introduciendo este metal en un óxido en capas de nuevo diseño. Los iones de hierro funcionan como mediadores redox atómicos para regular la transferencia de electrones.
En comparación con las reacciones redox estándar que dependen únicamente de la transferencia electrónica electroquímica, este proceso basado en hierro opera a través de una ruta química inusual. Dentro de la matriz cristalina sólida, los iones de Hierro(II) y Hierro(IV) intercambian electrones directamente con los átomos de oxígeno adyacentes, estabilizando la red durante el ciclado.
Durante la carga, el Fe4+ captura electrones del oxígeno de la red. Al mismo tiempo, el Fe2+ los dona de vuelta durante la descarga, permitiendo que el oxígeno oxidado regrese casi por completo a su estado químico original y asegurando la estabilidad del cátodo.
¿Qué mejoras se lograron frente al diseño anterior?
Este relevo mediado por hierro mejora drásticamente la reversibilidad de la reacción de oxígeno desde un frágil 75 por ciento hasta un casi perfecto 99 por ciento.
"Con la asistencia de la mediación de hierro, la reversibilidad del redox de oxígeno en red se mejora dramáticamente del 75 por ciento al 99 por ciento", escribió el equipo en el artículo de estudio.
Probado en una celda de bolsa de iones de sodio, este cátodo mediado por hierro alcanzó una densidad energética de 206 Wh kg−1 y demostró alta estabilidad, manteniendo una retención de capacidad del 87.8 por ciento después de 100 ciclos a 50 mA g−1.
El manganeso y el hierro se encuentran entre los metales de transición más baratos y abundantes de la Tierra. Reemplazar el costoso cobalto o níquel con hierro hace que las baterías de iones de sodio sean más viables comercialmente para el almacenamiento en red y vehículos eléctricos de bajo costo.
Con mayor peso y menor densidad energética que las celdas de iones de litio de alta gama, las baterías de iones de sodio son ideales para sistemas de almacenamiento de energía estacionarios, como amortiguadores de granjas eólicas y solares, donde el peso no es un inconveniente operativo.
Estos hallazgos iniciales demuestran que el redox mediado por hierro es un camino viable hacia la creación de baterías de iones de sodio altamente estables y de alta energía. Esta investigación ofrece una vía para diseñar materiales de cátodo similares que podrían inspirar innovaciones más amplias en química de baterías, acelerando finalmente la comercialización y adopción generalizada de tecnología de sodio asequible.
El equipo técnico destaca que este diseño es escalable para futuras aplicaciones industriales.
Vía Interesting Engineering.
