Las baterías alimentan nuestras vidas: confiamos en ellas para mantener nuestros teléfonos celulares y computadoras portátiles encendidas y nuestros autos híbridos y eléctricos en la carretera. Pero la adopción cada vez mayor de las baterías de iones de litio más comúnmente utilizadas puede conducir a un mayor costo yposible escasez de litio, razón por la cual las baterías de iones de sodio se están investigando intensamente como un posible reemplazo. Funcionan bien, y el sodio, un metal alcalino estrechamente relacionado con el litio, es barato y abundante.
¿El desafío? Las baterías de iones de sodio tienen vidas más cortas que sus hermanos a base de litio.
Ahora, el científico de materiales computacionales de la UC Santa Bárbara Chris Van de Walle y sus colegas han descubierto una razón para esta pérdida de capacidad en las baterías de sodio: la presencia involuntaria de hidrógeno, que conduce a la degradación del electrodo de la batería. Van de Walle y sus colegaslos autores Zhen Zhu y Hartwin Peelaers publicaron sus hallazgos en la revista Química de materiales .
"El hidrógeno está comúnmente presente durante la fabricación del material del cátodo, o puede incorporarse del medio ambiente o del electrolito", dijo Zhu, quien ahora está en Google. "Se sabe que el hidrógeno afecta fuertemente las propiedades de los materiales electrónicos, así que teníamos curiosidad acerca de su efecto sobre el NaMnO2 dióxido de manganeso y sodio, un material catódico común para las baterías de iones de sodio ". Para estudiar esto, los investigadores utilizaron técnicas computacionales que son capaces de predecir los efectos estructurales y químicos que surgen de lapresencia de impurezas.
El profesor Peelaers, ahora en la Universidad de Kansas, describió los hallazgos clave: "Rápidamente nos dimos cuenta de que el hidrógeno puede penetrar muy fácilmente en el material, y que su presencia permite que los átomos de manganeso se liberen de la estructura principal de óxido de manganeso que contiene elmaterial juntos. Esta eliminación de manganeso es irreversible y conduce a una disminución de la capacidad y, en última instancia, a la degradación de la batería ".
Los estudios se realizaron en el Grupo de Materiales Computacionales de Van De Walle en la UC Santa Bárbara.
"Investigaciones anteriores habían demostrado que la pérdida de manganeso podría tener lugar en la interfaz con el electrolito o podría estar asociada con una transición de fase, pero en realidad no identificó un desencadenante", dijo Van de Walle. "Nuestros nuevos resultados muestran quela pérdida de manganeso puede ocurrir en cualquier parte del material, si el hidrógeno está presente. Debido a que los átomos de hidrógeno son tan pequeños y reactivos, el hidrógeno es un contaminante común en los materiales. Ahora que su impacto perjudicial ha sido marcado, se pueden tomar medidas durante la fabricación y la encapsulaciónde las baterías para suprimir la incorporación de hidrógeno, lo que debería conducir a un mejor rendimiento "
De hecho, los investigadores sospechan que incluso las baterías omnipresentes de iones de litio pueden sufrir los efectos nocivos de la incorporación involuntaria de hidrógeno. Si esto causa menos problemas porque los métodos de fabricación están más avanzados en este sistema de materiales maduros, o porque existe un problema fundamentalLa razón por la cual las baterías de litio son más resistentes al hidrógeno no está clara en la actualidad, y será un área de investigación futura.
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE. Los recursos informáticos fueron proporcionados por el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, respaldado por el DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por James Badham. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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