El grafeno abre las puertas a las baterías de iones de sodio sostenibles

A pesar de que los iones de litio funcionan bien para el almacenamiento de energía, el litio es un metal costoso con preocupaciones sobre su suministro a largo plazo y problemas ambientales.

El sodio, por otro lado, es un metal abundante y de bajo costo, y el ingrediente principal en el agua de mar (y en la sal de cocina). Esto hace que las baterías de iones de sodio sean una alternativa interesante y sostenible para reducir nuestra necesidad de materias primas críticas. Sin embargo, un gran desafío es aumentar la capacidad.

Con el nivel actual de rendimiento, las baterías de iones de sodio no pueden competir con las celdas de iones de litio. Un factor limitante es el grafito, que se compone de capas apiladas de grafeno y se utiliza como ánodo en las baterías de iones de litio actuales.

Los iones se intercalan en el grafito, lo que significa que pueden entrar y salir de las capas de grafeno y almacenarse para el uso de energía. Los iones de sodio son más grandes que los iones de litio e interactúan de manera diferente. Por lo tanto, no pueden almacenarse eficientemente en la estructura de grafito. Pero los investigadores de Chalmers han ideado una forma novedosa de resolver esto.

Jinhua Sun, investigador del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers y primer autor del artículo científico, publicado en Science Advances.

Hemos agregado un espaciador de moléculas en un lado de la capa de grafeno.

"Cuando las capas se apilan juntas, la molécula crea un espacio más grande entre las hojas de grafeno y proporciona un punto de interacción, lo que conduce a una capacidad significativamente mayor".

Diez veces la capacidad de energía del grafito estándar

Normalmente, la capacidad de intercalación de sodio en el grafito estándar es de unos 35 miliamperios hora por gramo (mAh g-1). Esto es menos de una décima parte de la capacidad de intercalación de iones de litio en el grafito. Con el nuevo grafeno, la capacidad específica para los iones de sodio es de 332 miliamperios hora por gramo, acercándose al valor del litio en el grafito. Los resultados también mostraron reversibilidad total y alta estabilidad cíclica.

Profesor Aleksandar Matic del Departamento de Física de Chalmers.

Fue realmente emocionante cuando observamos la intercalación de iones de sodio con una capacidad tan alta.

“La investigación aún se encuentra en una etapa inicial, pero los resultados son muy prometedores. Esto demuestra que es posible diseñar capas de grafeno en una estructura ordenada que se adapte a los iones de sodio, haciéndolo comparable al grafito”.

El grafeno “divino” Janus abre las puertas a las baterías sostenibles

El estudio fue iniciado por Vincenzo Palermo en su cargo anterior como vicedirector de Graphene Flagship, un proyecto financiado por la Comisión Europea coordinado por la Universidad Tecnológica de Chalmers.

El nuevo grafeno tiene una funcionalización química asimétrica en caras opuestas y, por lo tanto, a menudo se le llama Janus graphene, en honor al antiguo dios romano de dos caras Janus, el Dios de los nuevos comienzos, asociado con puertas y portones, y los primeros pasos de un viaje. En este caso, el grafeno de Janus se correlaciona bien con la mitología romana, abriendo potencialmente las puertas a las baterías de iones de sodio de alta capacidad.

Vincenzo Palermo, profesor asociado del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers.