Desde autos eléctricos que viajan cientos de millas con una sola carga hasta motosierras tan poderosas como las versiones que funcionan con gasolina, cada año llegan nuevos productos al mercado que aprovechan los recientes avances en tecnología de baterías.
Pero ese crecimiento ha llevado a la preocupación de que el suministro mundial de litio, el metal en el corazón de muchas de las nuevas baterías recargables, pueda agotarse eventualmente.
Ahora los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han encontrado nueva evidencia que sugiere que las baterías basadas en sodio y potasio son prometedoras como una alternativa potencial a las baterías a base de litio.
"Uno de los mayores obstáculos para las baterías de iones de sodio y potasio ha sido que tienden a descomponerse y degradarse más rápido y tienen menos energía que las alternativas", dijo Matthew McDowell, profesor asistente en la Escuela de Mecánica George W. WoodruffIngeniería y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
"Pero hemos descubierto que no siempre es así", agregó.
Para el estudio, que se publicó el 19 de junio en la revista julio y patrocinado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU., El equipo de investigación analizó cómo tres iones diferentes, litio, sodio y potasio, reaccionaron con partículas de sulfuro de hierro, también llamadas pirita y oro de tontos.
A medida que las baterías se cargan y descargan, los iones reaccionan constantemente y penetran en las partículas que forman el electrodo de la batería. Este proceso de reacción provoca grandes cambios de volumen en las partículas del electrodo, a menudo rompiéndolos en pedazos pequeños. Debido a que los iones de sodio y potasio sonmás grande que el litio, tradicionalmente se ha pensado que causan una degradación más significativa cuando reaccionan con partículas.
En sus experimentos, las reacciones que ocurren dentro de una batería se observaron directamente dentro de un microscopio electrónico, con las partículas de sulfuro de hierro jugando el papel de un electrodo de batería. Los investigadores encontraron que el sulfuro de hierro era más estable durante la reacción con sodio y potasio quecon litio, lo que indica que dicha batería basada en sodio o potasio podría tener una vida útil mucho más larga de lo esperado.
La diferencia entre cómo reaccionaron los diferentes iones fue marcada visualmente. Cuando se exponen al litio, las partículas de sulfuro de hierro parecen explotar casi al microscopio electrónico. Por el contrario, el sulfuro de hierro se expande como un globo cuando se expone al sodio y al potasio.
"Vimos una reacción muy fuerte sin fracturas, algo que sugiere que este material y otros materiales similares podrían usarse en estas baterías nuevas con mayor estabilidad en el tiempo", dijo Matthew Boebinger, un estudiante graduado en Georgia Tech.
El estudio también arroja dudas sobre la noción de que los grandes cambios de volumen que ocurren durante la reacción electroquímica son siempre un precursor de la fractura de partículas, lo que provoca la falla del electrodo que conduce a la degradación de la batería.
Los investigadores sugirieron que una posible razón de la diferencia en cómo reaccionaron los diferentes iones con el sulfuro de hierro es que el litio tenía más probabilidades de concentrar su reacción a lo largo de los bordes afilados en forma de cubo de la partícula, mientras que la reacción con sodio y potasio fuemás difusa a lo largo de toda la superficie de la partícula de sulfuro de hierro. Como resultado, la partícula de sulfuro de hierro al reaccionar con sodio y potasio desarrolló una forma más ovalada con bordes redondeados.
Si bien aún queda mucho trabajo por hacer, los nuevos hallazgos de la investigación podrían ayudar a los científicos a diseñar sistemas de baterías que utilicen este tipo de materiales novedosos.
"Las baterías de litio siguen siendo las más atractivas en este momento porque tienen la mayor densidad de energía; puedes acumular mucha energía en ese espacio", dijo McDowell. "Las baterías de sodio y potasio en este momento no tienen más densidad"., pero se basan en elementos mil veces más abundantes en la corteza terrestre que el litio. Por lo tanto, podrían ser mucho más baratos en el futuro, lo cual es importante para el almacenamiento de energía a gran escala: energía de respaldo para los hogares o la red energética del futuro"
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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