En lo que respecta a las baterías, las de iones de litio son las mejores que tenemos en términos de densidad energética y comodidad. Sin embargo, la Universidad de Washington, ha desarrollado una batería de sodio que es estable, altamente eficiente, menos costosa de fabricar y significativamente más pequeña que una batería de iones de litio.
El laboratorio de la Universidad de Washington en San Luis de Peng Bai, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Energética, Medioambiental y Química de la Facultad de Ingeniería McKelvey, ya ha desarrollado de forma estable una batería de iones de sodio que es altamente eficiente, menos costosa de fabricar y significativamente más pequeña que una batería tradicional de iones de litio por la eliminación de una característica antes necesaria.
La investigación se publicó el 3 de mayo de 2021 en la revista Advanced Science.
Una batería de iones de litio consta de un cátodo y un ánodo, que almacenan iones de litio; un separador para mantener los electrodos separados a ambos lados; y un electrolito, el líquido por el que se mueven los iones. Cuando el litio pasa del ánodo al cátodo, los electrones libres salen a través del colector de corriente hacia el dispositivo que se alimenta, mientras que el litio pasa por el separador hacia el cátodo.
Para cargar, el proceso se invierte y el litio pasa del cátodo, a través del separador, al ánodo.
El concepto de sustituir el litio por sodio y prescindir del ánodo no es nuevo.
“Utilizamos la química antigua”, dice Bai. “Pero el problema ha sido que, con esta química conocida, nadie ha demostrado que esta batería sin ánodo pueda tener una vida útil razonable. Siempre fallan muy rápido o tienen una capacidad muy baja o requieren un tratamiento especial en el colector de corriente”.
Las baterías sin ánodo tienden a ser inestables, ya que crecen dendritas -crecimientos en forma de dientes- que pueden provocar un cortocircuito en la batería o simplemente degradarse rápidamente. Esto se ha atribuido convencionalmente a la reactividad de los metales alcalinos implicados, en este caso, el sodio.
En esta batería de nuevo diseño, sólo se ha utilizado una fina capa de lámina de cobre en el lado del ánodo como colector de corriente, es decir, la batería no tiene material activo en el ánodo. En lugar de fluir hacia el ánodo, donde permanecen hasta el momento de volver al cátodo, en la batería sin ánodo los iones se transforman en un metal. Primero se depositan en una lámina de cobre y luego se disuelven cuando llega el momento de volver al cátodo.
“En nuestro descubrimiento, no hay dendritas ni estructuras en forma de dientes”, dijo Bingyuan Ma, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en el laboratorio de Bai. El depósito es liso, con un brillo metálico.
“Este modo de crecimiento nunca se había observado para este tipo de metal alcalino”.
“Observar” es la clave. Bai ha desarrollado una célula capilar única y transparente que ofrece una nueva forma de observar las baterías. Tradicionalmente, cuando una batería falla, para determinar qué ha fallado, un investigador puede abrirla y echar un vistazo. Pero ese tipo de observación a posteriori tiene una utilidad limitada.
“Todas las inestabilidades de la batería se acumulan durante el proceso de funcionamiento”, afirma Bai. “Lo que realmente importa es la inestabilidad durante el proceso dinámico, y no hay ningún método para caracterizarla”. Observando la célula capilar sin ánodo de Ma, “pudimos ver claramente que si no se tiene un buen control de calidad del electrolito, se observan varias inestabilidades”, incluida la formación de dendritas, dijo Bai.
En esencia, todo se reduce a la cantidad de agua que hay en el electrolito.
Los metales alcalinos reaccionan con el agua, así que el equipo de investigación redujo el contenido de agua. “Esperábamos simplemente ver un buen rendimiento”, dijo Bai. Al observar la batería en acción, los investigadores no tardaron en ver depósitos brillantes y lisos de sodio. La suavidad del material elimina las irregularidades morfológicas que pueden provocar el crecimiento de las dendritas.
“Volvimos a comprobar las celdas capilares y nos dimos cuenta de que el proceso de secado del electrolito era más largo”, dijo Bai. Todo el mundo habla del contenido de agua en las baterías, pero, en investigaciones anteriores, la cantidad de agua se había relegado a menudo a una simple estadística que había que anotar.
Bai y Ma se dieron cuenta de que, de hecho, era la clave.
“El contenido de agua debe ser inferior a 10 partes por millón”, dijo Bai. Gracias a ello, Ma pudo construir no sólo una célula capilar, sino una batería que tiene un rendimiento similar al de una batería de iones de litio estándar, pero que ocupa mucho menos espacio al carecer de ánodo.
“Mira tu teléfono móvil. Su coche eléctrico. Una cuarta parte del coste de estos artículos procede de la batería”, afirma Bai. Las baterías de sodio utilizan un metal más común que las de litio; tienen la misma densidad energética que éstas y son más pequeñas y baratas que las de litio, gracias a la eliminación del ánodo.
“Hemos demostrado que se puede utilizar la configuración más sencilla para conseguir una mejor batería”, dijo Bai.
Noticia tomada de: Tech Xplore / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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