Científicos del Instituto de Ciencia de Tokio (Science Tokyo) de Japón han utilizado simulaciones en supercomputadoras para desentrañar la física de los ánodos de carbono duro (HC) en las baterías de ionen sodio (NIB).
El HC es un componente clave en las NIB de última generación, que han ganado atención en los últimos años debido a la abundancia de sodio. A medida que estas baterías se acercan a su comercialización, los investigadores se han esforzado por explicar cómo los iones de sodio forman agrupaciones dentro de los poros del HC a temperaturas operativas, y por qué su movilidad general sigue siendo lenta.
«Creo que somos el primer grupo en demostrar la formación de agrupaciones de sodio (Na) en los nanoporos de carbono duro. El cuello de botella de la difusión de los iones de Na en el carbono duro también se ha analizado y visualizado a nivel atómico por primera vez», explicó el autor correspondiente, Che-an Lin, a pv magazine. «Hemos demostrado que los iones de Na tienen una difusividad realmente alta en la mayoría de las regiones del carbono duro, y que son las regiones de transición entre las distancias grandes y estrechas entre capas de grafeno las que impiden la difusión de los iones de Na. Esto significa que, si logramos optimizar aún más la estructura del carbono duro, existe la posibilidad de mejorar significativamente su capacidad de velocidad».
Lin añadió que la densidad energética es el obstáculo más importante que deben superar los científicos antes de que la comercialización de las NIB pueda generalizarse. «Hay algunas empresas que actualmente están llevando a cabo o planeando la producción en masa de baterías de ionen sodio y vendiendo productos de baterías de ionen sodio. La mayoría de las baterías comerciales de ionen sodio se centran en la carga/descarga rápida y en un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, lo que supone un reto para las baterías de ionen litio. Por lo tanto, como tecnología complementaria a las baterías de ionen litio, las baterías de ionen sodio han demostrado un rendimiento prometedor», afirmó.
Yoshitaka Tateyama, que dirigió el grupo de investigación, señaló además en una declaración que «en última instancia, la adopción generalizada de las NIB aumentará el suministro global de baterías en la sociedad, lo que contribuirá a la consecución de un futuro neutro en carbono. Al integrar nuestros nuevos conocimientos, nuestro estudio proporciona directrices de diseño más claras para los materiales HC capaces de almacenar sodio de forma eficiente, lo que contribuye al desarrollo de mejores NIB».
El equipo de Tateyama llevó a cabo su investigación utilizando varios superordenadores de alto rendimiento, entre ellos Fugaku, uno de los diez sistemas más rápidos del mundo. En esos ordenadores, realizaron simulaciones de dinámica molecular basadas en la teoría de la función de densidad (DFT-MD) de alta precisión, explorando diferentes disposiciones de ionenes de sodio y láminas de grafeno.
Estas simulaciones revelaron que los iones de sodio en los nanoporos pasan rápidamente de un estado de adsorción bidimensional a un estado de clúster cuasi metálico tridimensional. Basándose en este hallazgo, el equipo determinó teóricamente el diámetro óptimo de los nanoporos para un almacenamiento estable del sodio, que era de aproximadamente 1,5 nm.
«Basándonos en nuestros resultados, pudimos proporcionar algunas pautas para diseñar un ánodo HC con alta capacidad de meseta y buena cinética de ciclo», afirmaron los investigadores en el artículo. «Para obtener una alta capacidad de meseta, se debe controlar cuidadosamente el tamaño y la fracción de los poros. Demostramos que el tamaño óptimo de los poros es de 1,5 nm, y que los tamaños de poros más pequeños o más grandes que este pueden dar lugar a un clúster de Na inestable. Un rango pequeño de distribución del tamaño de los poros con un tamaño medio de ≈1,5 nm debería dar lugar a una alta capacidad de meseta».
Además, el estudio de simulación reveló que ciertos iones de sodio adsorbidos por defectos, en lugar de actuar como sitios de nucleación, benefician la formación de grupos de sodio al reducir las interacciones Na-C y el espacio disponible para los próximos iones de sodio en los nanoporos HC. Además, se ha demostrado que, si bien los iones de sodio exhiben una difusión localmente rápida en áreas bien conectadas de HC, las regiones de ramificación o reconexión actúan como graves obstáculos para la migración de iones. «Estas regiones de transición más estrechas se obstruyen con iones de sodio hasta que se acumula suficiente fuerza repulsiva para eliminar el bloqueo, lo que crea un paso limitante de la velocidad que explica el rendimiento lento del material», explicaron.
Sus hallazgos se presentaron en «Unveiling Dominant Processes of Na Cluster Formation and Na-Ion Diffusion in Hard Carbon Nano-Pore: A DFT-MD Study» (Revelación de los procesos dominantes de formación de grupos de Na y difusión de iones de Na en nanoporos de carbono duro: un estudio DFT-MD), publicado en Advanced Energy Materials.
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