Las baterías de iones de litio han sido las estrellas en el mundo del almacenamiento de energía durante años. Sin embargo, la escasez de litio y su creciente demanda han impulsado la búsqueda de alternativas más accesibles. Aquí es donde entran en juego las baterías de iones de sodio (SIBs), una solución prometedora debido a la abundancia de sodio en la naturaleza. Investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) han dado un paso significativo hacia la comercialización de estas baterías con el desarrollo de un nuevo material aglutinante de electrodos.
El Desafío de los Materiales Actuales
Las baterías necesitan materiales que no solo almacenen energía de manera eficiente, sino que también mantengan su estabilidad a lo largo del tiempo. Para las SIBs, uno de los grandes retos ha sido encontrar un ánodo adecuado. Aunque el carbono duro (HC) es una opción prometedora, su uso ha sido limitado debido a la formación de una interfaz de electrolito sólido (SEI) desigual y gruesa, lo que reduce la estabilidad de carga y descarga.
Problemas con los Aglutinantes Tradicionales
Para mejorar la estabilidad del HC, se han usado diversos aglutinantes como sales de carboximetilcelulosa, derivados del ácido poliacrílico y PVDF. Sin embargo, estos aglutinantes dificultan la difusión de los iones de sodio, resultando en una baja capacidad de carga rápida. Aquí es donde entra en juego el nuevo aglutinante desarrollado por los investigadores de JAIST.
Innovación con Ácido Polifumárico (PFA)
El equipo liderado por el Profesor Noriyoshi Matsumi y el estudiante doctoral Amarshi Patra ha desarrollado un aglutinante de ácido polifumárico (PFA), que promete solucionar los problemas anteriores. El PFA es un polímero de alta densidad funcional con ácido carboxílico en todos los átomos de carbono de su cadena principal. Esto mejora la difusión de iones de sodio y proporciona una mejor adherencia al electrodo.
Beneficios del PFA
El PFA no solo mejora la difusión de iones, sino que también es soluble en agua y no tóxico. Su precursor, el ácido fumárico, es un polímero de base biológica, lo que lo hace más sostenible. En pruebas realizadas, los electrodos con PFA mostraron una adherencia significativamente mayor a los componentes del electrodo y al colector de corriente de cobre, lo que es crucial para la longevidad de las baterías.
Proceso de Fabricación y Resultados
Los investigadores sintetizaron el PFA mediante la hidrólisis de ésteres de polifumarato. Luego, mezclaron HC, carbono Super P y PFA en agua para formar una lechada acuosa, que se recubrió sobre una lámina de cobre y se secó para producir un ánodo de HC. Este ánodo, junto con un disco de metal de sodio y 1.0 M de NaClO4 como electrolito, se utilizó para construir una celda de medio ánodo.
Pruebas de Adherencia y Rendimiento
En las pruebas de pelado, el electrodo de HC con aglutinante de PFA mostró una fuerza de pelado de 12.5 N, superando a los electrodos con ácido poliacrílico (11.5 N) y PVDF (9.8 N). Las pruebas de carga/descarga demostraron capacidades específicas de 288 mAh/g y 254 mAh/g a densidades de corriente de 30 mA/g y 60 mA/g, respectivamente. Además, la celda de medio ánodo mantuvo el 85.4% de su capacidad después de 250 ciclos, indicando una excelente estabilidad a largo plazo.
El coeficiente de difusión de iones de sodio para el electrodo de PFA-HC fue notablemente superior al de los electrodos con ácido poliacrílico y PVDF, lo que confirma las ventajas del nuevo aglutinante.
Futuras Aplicaciones y Colaboraciones
El Prof. Matsumi expresó su interés en futuras colaboraciones con empresas para llevar esta tecnología al mercado. El PFA, siendo un aglutinante sostenible y eficiente, no solo tiene aplicaciones en SIBs, sino que también puede ser utilizado en una amplia gama de dispositivos de almacenamiento de energía.
Este avance podría impulsar el uso generalizado de dispositivos energéticos de bajo costo basados en SIBs, promoviendo una sociedad más eficiente en energía y amigable con el medio ambiente.
Referencias
- Amarshi Patra et al, Water-soluble densely functionalized poly(hydroxycarbonylmethylene) binder for higher-performance hard carbon anode-based sodium-ion batteries, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI: 10.1039/D4TA00285G
