Baterías de ion sodio. Ánodo de papel de grafeno y disulfuro de molibdeno

Un grupo de la Universidad de Kansas ha fabricado un nuevo material basado en grafeno que puede marcar el punto de inflexión en la tecnología de baterías de ion sodio, unas baterías que prometen reducir el precio de las actuales baterías de ion litio.

El nuevo material es un compuesto de disulfuro de molibdeno y grafeno con la textura de un papel, que permite alojar los iones de sodio entre sus capas y funciona a temperatura ambiente. Los primeros resultados son prometedores y hacen pensar en una futura comercialización.

Las baterías de ion sodio resultan muy interesantes porque, al contrario que las de ion litio, los recursos de sodio son muy abundantes. El sodio, elemento que junto con el cloro forma la sal común (NaCl), es prácticamente omnipresente y se distribuye por todo el planeta sin ofrecer una gran dificultad para su obtención.

Desde el punto de vista electroquímico el sodio tiene un potencial de reducción (la energía relacionada con la pérdida de un electrón) elevado, 2.17 V, y un equivalente electroquímico reducido, 0.86 gA/h que lo hace el mejor candidato para transportar la energía en baterías después del litio.

Sin embargo no es tan sencillo. Aun son varios los puntos a mejorar antes de hacer de las baterías de ion sodio un competidor digno de las baterías de ion litio. Por ejemplo, los iones de sodio son un 55% más grandes que los de litio, lo cual hace que sea más difícil de encajarlos o almacenarlos en otros materiales y extraerlos a la velocidad requerida por nuestros aparatos electrónicos.

Los materiales empleados normalmente para la construcción de la pilas basados en el carbono y otros elementos con un configuración electrónica similar a este (silicio, estaño, antimonio… osea, grupos IVA y VA de la tabla periódica) se basan en la formación de un compuesto de intercalación de sodio o en aleaciones de este. Pero para intercalar el sodio el material necesita expandirse y esto supone un problema para la estabilidad del electrodo.

Una alternativa a los materiales de intercalación o aleaciones metálicas son los materiales porosos, en los que los iones de sodio simplemente se alojan en la superficie sin generar un cambio de volumen considerable. El papel compuesto por láminas intercaladas de grafeno y disulfuro de molibdeno (MoS2) fabricado por investigadores de la Universidad del estado de Kansas puede ser el revulsivo que haga despuntar a esta tecnología.

Los investigadores han sintetizado una especie de papel compuesto de disulfuro de molibdeno y copos de óxido de grafeno reducido (MoS2/rGO) para su uso como ánodo en las baterías de ion de sodio. El grafeno de por si no puede alojar los átomos de sodio porque no reacciona con estos. El disulfuro de molibdeno en cambio sí puede, pero necesita de la estructura del grafeno para mantenerse estable durante las cargas y descargas. El grafeno, además, ayuda a la circulación de la corriente, haciendo innecesario tanto el uso de aglutinantes como de aditivos para mejorar la conductividad, y descartando la necesidad de usar cobre en el contacto del electrodo.

El material logrado por el grupo de Kansas posee la textura de una lámina de papel y es flexible. Se ha utilizado en una pila de sodio que, a diferencia de las pilas de sodio comunes que trabajan alrededor de los 300ºC, funciona a temperatura ambiente.

En las pruebas el electrodo mostró un buen comportamiento a lo largo de los ciclos de carga y descarga, con una capacidad inicial de 330 mAh-1 y una capacidad de acumulación estable rondando los 230 mAh/g (del orden del carbono en las baterías de ion litio). La eficiencia Coulombica del 99%. Además, las pruebas de resistencia al estrés demostraron que el nuevo papel tiene una gran fortaleza.

La idea de baterías más baratas para nosotros es razón suficiente para llevar esta tecnología a su comercialización, sin embargo sus descubridores están deseando descubrir primero más detalles sobre los principios químicos y físicos detrás del descubrimiento para poder así mejorar su rendimiento. No sin embargo ya han comenzado a trabajar con otros grupos de cara a un futuro comercial.

Aun quedará por ver si la fabricación del propio ánodo basado en grafeno compensa el precio del litio. Mañana otra noticia más sobre baterías de ion sodio que esperan tener más salida de cara a su comercialización.

Fuente | ACS Nano