De ESS News
Un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) en los Países Bajos ha propuesto utilizar seleniuro de carbono bidimensional (β-CSe) como material de ánodo en baterías de iones de sodio (SIB), con el objetivo de mejorar el rendimiento y la seguridad de estos dispositivos.
«A nivel de materiales, el β-CSe ofrece una mayor capacidad teórica que los ánodos de grafito convencionales y algunas de las barreras de difusión iónica más bajas registradas para cualquier material 2D, lo que podría significar una carga más rápida», declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Talha Zafer.
«Su mínimo cambio de volumen durante los ciclos —3,2 % frente al 300 % de los ánodos de silicio— es una ventaja importante para la longevidad y la seguridad. Es probable que las baterías de iones de sodio no superen a las de iones de litio en densidad energética por kilogramo, pero tienen claras ventajas en cuanto a costo, seguridad y sostenibilidad de los recursos, lo que las hace ideales para el almacenamiento estacionario vinculado a las energías renovables, que es donde el impacto de la tecnología podría ser mayor. También vale la pena señalar que las celdas de iones de sodio pueden descargarse de manera segura hasta 0 V para su transporte y almacenamiento, lo cual es una ventaja práctica de seguridad que las celdas de iones de litio no ofrecen».
«La combinación de alta capacidad, baja expansión volumétrica y transporte ultrarrápido de iones de nuestro material β-CSe lo convierte en un firme candidato para aplicaciones de almacenamiento en red, donde la durabilidad y el costo suelen ser factores clave», continuó diciendo. «La capacidad de carga y descarga rápidas que prevemos también podría ayudar a equilibrar la naturaleza intermitente de la energía solar y eólica. En términos prácticos, si estas propiedades se confirman experimentalmente, este tipo de material podría contribuir a que el almacenamiento en baterías a gran escala sea más asequible y escalable, ya que, como sabrán, es uno de los principales obstáculos para un mayor despliegue de las energías renovables».
«Nuestro estudio es computacional, por lo que estamos prediciendo el potencial fundamental de este material en lugar de informar sobre resultados a nivel de dispositivo», añadió. « Confiamos en nuestras predicciones, ya que las hemos validado con múltiples métodos y hemos confirmado su estabilidad hasta los 400 K. Pero el rendimiento en el mundo real dependerá en última instancia de la síntesis y las pruebas experimentales, incluyendo la compatibilidad entre el electrodo y el electrolito y los ciclos a largo plazo.
«La buena noticia es que ya se han fabricado con éxito materiales 2D similares en el laboratorio, por lo que creemos que la síntesis de β-CSe está al alcance de la mano. Nuestros resultados dan a los investigadores experimentales una razón de peso para seguir investigando este material».
En el artículo «Thermodynamic and kinetic properties of 2D carbon selenide for efficient sodium-ion batteries (SIBs)» (Propiedades termodinámicas y cinéticas del seleniuro de carbono bidimensional para baterías de iones de sodio (SIB) eficientes), publicado en Applied Surface Science, Zafer y sus colegas explicaron que utilizaron técnicas como la teoría del funcional de la densidad (DFT), la dinámica molecular ab initio (AIMD), el método de banda elástica empujada (NEB) y el análisis de Monte Carlo de salto de cuenca (BHMC) para determinar la estabilidad estructural, dinámica y térmica de la monocapa de CSe que podría utilizarse para construir ánodos de SIB.
La monocapa se modeló utilizando una supercelda con un vacío de 20 A y su estabilidad térmica y reversibilidad del electrodo se evaluaron mediante simulaciones AIMD. Se descubrió que la monocapa de CSe 2D totalmente optimizada presentaba una banda prohibida indirecta de 1,544 eV a 2,1 eV.
Los investigadores destacaron que sus simulaciones indican que las propiedades mecánicas anisotrópicas del material 2D pueden minimizar la expansión de volumen durante la intercalación de iones de sodio (Na-ion). Los átomos de sodio se unen fuertemente a los sitios huecos del lado C, mostrando una adsorción exotérmica y una distribución uniforme, lo que ayuda a prevenir la formación de dendritas y aborda un desafío clave en el desarrollo de las SIB.
El análisis también mostró que el material ofrece una alta capacidad teórica de 589 mAh/g con una expansión mínima de la red cristalina, superando al grafito y a muchos ánodos 2D. «La adsorción de Na transforma la monocapa en un estado metálico, lo que garantiza una rápida conductividad electrónica, mientras que las barreras de difusión extremadamente bajas permiten una rápida movilidad iónica», dijo Zafer.
El análisis también reveló que el material ofrece una elevada capacidad teórica de 589 mAh/g con una expansión de la red cristalina mínima, superando al grafito y a muchos ánodos bidimensionales. «La adsorción de sodio transforma la monocapa en un estado metálico, lo que garantiza una rápida conductividad electrónica, mientras que las barreras de difusión extremadamente bajas permiten una rápida movilidad iónica», afirmó Zafer.
«La tensión mecánica y los campos eléctricos externos permiten ajustar las propiedades electrónicas y de adsorción, lo que convierte al CSe en un ánodo muy prometedor para las baterías de iones de sodio de próxima generación».
«El material presenta una estabilidad estructural excepcional, confirmada por espectros de fonones y simulaciones AIMD a 300 K y 400 K», concluyó. «Presenta barreras de difusión de Na ultrabajas de 0,019–0,021 eV, mucho más bajas que las de los ánodos 2D típicos, como los MXenes y los derivados del fosforeno».
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