Los investigadores desarrollan un ánodo de batería de iones de sodio eficiente para el almacenamiento de energía

El cambio climático es una gran preocupación mundial. La reducción de las emisiones de carbono mediante el uso de fuentes de energía renovables y el desarrollo de sistemas eficientes de almacenamiento de energía se ha convertido en una prioridad. Las baterías de iones de litio tienen una alta densidad de energía y un ciclo de vida prolongado, lo que las hace indispensables en la electrónica portátil y en los vehículos eléctricos. Sin embargo, el alto costo y el suministro limitado de litio requieren el desarrollo de sistemas alternativos de almacenamiento de energía. Con este fin, los investigadores han sugerido las baterías de iones de sodio (SIB) como un posible candidato.

Además de tener propiedades fisicoquímicas similares a las del litio, el sodio es sostenible y rentable. Sin embargo, sus iones son grandes y tienen una cinética de difusión lenta, lo que dificulta su alojamiento dentro de las microestructuras de carbono de los ánodos de grafito comercializados. En consecuencia, los ánodos SIB sufren inestabilidad estructural y un bajo rendimiento de almacenamiento. En este sentido, los materiales carbonosos dopados con heteroátomos se muestran prometedores. Sin embargo, su preparación es complicada, costosa y requiere mucho tiempo.

Recientemente, un equipo de investigadores, dirigido por el profesor Seung Geol Lee de la Universidad Nacional de Pusan ​​en Corea, utilizó quinacridonas como precursores para preparar ánodos SIB carbonosos. «Los pigmentos orgánicos como las quinacridonas tienen una variedad de estructuras y grupos funcionales. Como resultado, desarrollan diferentes comportamientos de descomposición térmica y microestructuras. Cuando se usan como precursores de materiales de almacenamiento de energía, las quinacridonas pirolizadas pueden variar en gran medida el rendimiento de las baterías secundarias. Por lo tanto, , es posible implementar una batería altamente eficiente mediante el control de la estructura del precursor de pigmentos orgánicos», explica el Prof. Lee.

Su estudio estuvo disponible en línea el 17 de octubre de 2022 y se publicará en el Revista de ingeniería química el 1 de febrero de 2023.

Los investigadores se centraron en la 2,9-dimetilquinacridona (2,9-DMQA) en su estudio. El 2,9-DMQA tiene una configuración de empaquetamiento molecular paralelo. Tras la pirólisis (descomposición térmica) a 600 °C, el 2,9-DMQA cambió de rojizo a negro con un alto rendimiento de carbón del 61 %. A continuación, los investigadores realizaron un análisis experimental exhaustivo para describir el mecanismo de pirólisis subyacente.

Propusieron que la descomposición de los sustituyentes metilo genera radicales libres a 450 °C, que forman hidrocarburos aromáticos policíclicos con una microestructura de crecimiento longitudinal resultante de la formación de puentes de enlace a lo largo de la dirección de empaquetamiento paralela. Además, los grupos funcionales que contienen nitrógeno y oxígeno en 2,9-DMQA liberaron gases, creando dominios desordenados en la microestructura. Por el contrario, la quinacridona no sustituida pirolizada desarrolló estructuras altamente agregadas. Esto sugirió que el desarrollo morfológico se vio significativamente afectado por la orientación del cristal del precursor.

Además, el 2,9-DMQA pirolizado a 600°C exhibió una alta capacidad de velocidad (290 mAh/ga ​​0,05 A/g) y una excelente estabilidad de ciclo (134 mAh/ga ​​5 A/g durante 1000 ciclos) como SIB ánodo. Los grupos que contienen nitrógeno y oxígeno mejoraron aún más el almacenamiento de la batería mediante el confinamiento de la superficie y el incremento de la distancia entre capas.

«Los pigmentos orgánicos como las quinacridonas se pueden utilizar como materiales de ánodo en baterías de iones de sodio. Dada la alta eficiencia, proporcionarán una estrategia eficaz para la producción en masa de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala», concluye el profesor Lee.