De ESS News
Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado un electrolito de solvación meta-débil que, según se informa, puede permitir el funcionamiento estable de baterías de iones de sodio (Na-ion) de alto voltaje.
«El nuevo electrolito representa una nueva estrategia para regular la estructura de solvatación del Na que puede facilitar reacciones favorables y suprimir las no deseadas», declaró a ESS News el autor principal de la investigación, An L. Phan. «Esto da como resultado una reducción de la pérdida irreversible y la degradación de los materiales de las celdas en condiciones prácticas».
La mayoría de los electrolitos de baterías convencionales están diseñados para solvatar fuertemente los iones metálicos, lo que ayuda a que los iones se muevan a través del líquido. Sin embargo, esto también tiende a crear una «capa de iones-disolvente» muy estable que es difícil de romper en la superficie del electrodo. Cuando eso ocurre, las propias moléculas del electrolito a menudo se ven arrastradas a reacciones secundarias no deseadas, formando capas inestables, consumiendo electrolito y degradando la batería con el tiempo.
El tipo de electrolito propuesto, por el contrario, está diseñado para que los iones de sodio se unan con menos fuerza a las moléculas del disolvente y, en su lugar, sean guiados hacia una estructura de solvatación intermedia más controlada. Esto cambia la forma en que los iones se comportan en la interfaz del electrodo y evita las capas de iones-disolvente excesivamente estables que suelen desencadenar reacciones secundarias perjudiciales y la degradación de la batería.
Para construir la celda de la batería, los científicos utilizaron sales de hexafluorofosfato de sodio (NaPF₆) y bis(fluorosulfonil)imida de sodio (NaFSI) aptas para baterías, junto con disolventes de alta pureza como el carbonato de etileno (EC), carbonato de dietilo (DEC), fosfato de trietilo (TEP), fosfato de tris(2,2,2-trifluoroetilo) (TFP) y éter de 1,1,2,2-tetrafluoroetilo y 2,2,3,3-tetrafluoropropilo (TTE).
Los cátodos de óxido de sodio, níquel, manganeso y hierro (NFM424) se emparejaron con ánodos de carbono duro (HC), ambos fabricados mediante colada de lechada sobre lámina de aluminio (Al) utilizando aglutinantes como el fluoruro de polivinilideno (PVDF), carboximetilcelulosa sódica (CMC) y caucho de estireno-butadieno (SBR), junto con carbono conductivo (carbono Super P, C45). Los electrodos se secaron al vacío antes del ensamblaje.
Se ensamblaron celdas completas compuestas por cátodos de NFM424 y ánodos de HC en una caja de guantes llena de argón utilizando componentes estándar de celdas tipo moneda y se sometieron a pruebas; todas las pruebas electroquímicas se realizaron a 30 °C utilizando cicladores de baterías. Las pruebas de corriente de fuga evaluaron la estabilidad interfacial frente a electrodos de referencia de aluminio (Al) y NFM424. Las estructuras de solvatación del electrolito se analizaron mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN).
Además, los científicos realizaron un análisis posterior al ciclo de los electrodos tras 50 ciclos, incluyendo microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS).
Las pruebas demostraron que el diseño de la celda de batería propuesto logra una mejor movilidad del sodio, superando a sus contrapartes convencionales, que mostraban una degradación e inestabilidad más tempranas. Además, las pruebas de corriente de fuga confirmaron que la celda de batería que utiliza el electrolito de solvación meta-débil logra la mejor estabilidad interfacial a alta tensión, en consonancia con una menor reactividad del solvente libre y una mejor formación de la interfase cátodo-electrolito (CEI).
También se descubrió que la celda conservaba el 80 % de su capacidad después de 500 ciclos, en comparación con los 100-300 ciclos de los dispositivos de referencia. La espectroscopia de impedancia electroquímica mostró que esta mejora se debe a una menor resistencia a la transferencia de carga, vinculada a una desolvatación más rápida del sodio y a un transporte interfacial más eficiente.
«Estas características mejoran de manera efectiva la estabilidad electroquímica de la celda y mitigan la degradación de los materiales activos durante ciclos prolongados», destacó Phan.
El nuevo diseño de la celda de batería se presentó en «Meta-weakly solvating electrolyte for high-voltage sodium-ion batteries» (Electrolito meta-débilmente solvatante para baterías de iones de sodio de alto voltaje), publicado en Nano Energy.
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