2.500 ciclos y una pérdida de capacidad del 0,017% por ciclo: una batería de sodio y azufre mejora su resistencia gracias al aluminio
Un equipo chino ha desarrollado un catalizador de aluminio que mejora la estabilidad de las baterías de sodio y azufre. Los ensayos muestran una degradación reducida durante miles de ciclos, un avance para una tecnología que busca almacenar energía con materiales económicos.
El litio concentra buena parte de la atención cuando hablamos de baterías, pero la investigación sigue buscando otras combinaciones que permitan almacenar electricidad y sobre todo con un menor coste. El sodio y el azufre forman una de esas parejas prometedoras que llevan tiempo esperando su momento. El problema es conseguir que sus ventajas sobre el papel se mantengan después de cargar y descargar la batería una y otra vez.
Un equipo de la Academia China de Ciencias ha presentado un avance para mejorar esa resistencia al uso. Los investigadores, liderados por Wang Hui y Zheng Fangcai desde el Laboratorio de Altos Campos Magnéticos de Hefei, han desarrollado un catalizador basado en aluminio que ayuda a controlar las reacciones internas y reduce la pérdida de capacidad.
El trabajo se ha centrado en cómo están organizados los átomos alrededor del aluminio. Una modificación aparentemente pequeña permite que este material desempeñe mejor su función y supere los resultados de muchos catalizadores de átomos individuales basados en metales de transición recogidos en la literatura científica para estas baterías.
Aluminio, oxígeno y nitrógeno para mejorar la duración
Uno de los obstáculos de las baterías de sodio y azufre son los polisulfuros de sodio, compuestos que aparecen durante su funcionamiento. Estos pueden disolverse y desplazarse fuera del cátodo, provocando reacciones indeseadas y una pérdida progresiva de material aprovechable. Con cada ciclo, la batería va teniendo más dificultades para conservar su capacidad.
Los catalizadores ayudan a gestionar estas reacciones, pero no todos los materiales ofrecen el mismo rendimiento. El aluminio resulta atractivo por su coste y disponibilidad, aunque conseguir suficiente actividad catalítica supone un reto. En este caso, los investigadores han trabajado con átomos individuales de aluminio fijados sobre un soporte de carbono.
La modificación consiste en pasar de una estructura en la que cada átomo de aluminio está rodeado por cuatro átomos de oxígeno a otra con tres átomos de oxígeno y uno de nitrógeno. Esa sustitución rompe la simetría del entorno y cambia la distribución de los electrones, reforzando la interacción del aluminio con los polisulfuros.
El resultado es que estos compuestos quedan mejor retenidos y las reacciones relacionadas con el azufre avanzan con mayor facilidad. Se actúa así sobre dos problemas al mismo tiempo: la fuga de material del cátodo y la lentitud de las transformaciones necesarias para almacenar y devolver la energía.
En los ensayos, el material del cátodo alcanzó una capacidad específica de 1.196 mAh/g después de 100 ciclos, a un régimen de 0,1 C. Esta cifra corresponde al material evaluado: no representa la capacidad por gramo de una batería completa, que también incorpora electrolito, separador, colectores y carcasa. Tampoco debe confundirse con una densidad energética expresada en Wh/kg.
El otro resultado destacado es una degradación media del 0,017% por ciclo durante un ensayo de 2.500 ciclos. Aquí conviene leer la cifra completa. No significa que la batería haya perdido únicamente un 0,017% al finalizar todas esas cargas y descargas, ni que conserve prácticamente intacta su capacidad inicial. Es una tasa de pérdida por ciclo.
La aportación del estudio está en mostrar que el aluminio puede resultar mucho más eficaz al modificar su entorno atómico. Esto abre posibilidades para diseñar catalizadores con materiales económicos, aunque el coste final dependerá también de cómo se fabriquen e integren en una celda comercial.
Para el almacenamiento de electricidad, avanzar en esta dirección resulta especialmente interesante: una batería necesita combinar precio, capacidad y resistencia al uso para que las cuentas salgan. El trabajo todavía no anuncia un producto comercial ni una fecha de fabricación. El siguiente paso será comprobar cuánto de esa mejora se conserva al pasar del material ensayado a baterías de mayor tamaño.
Fuente | Onlinelibrary
