Las baterías basadas en sodio y potasio son prometedoras como una alternativa potencial a las baterías basadas en litio, en términos del coste como sistema de almacenamiento de energía.

“Uno de los mayores obstáculos para las baterías de iones de sodio y potasio ha sido que tienden a decaer y degradarse más rápidamente y contienen menos energía que las alternativas”, señala Matthew McDowell, profesor de Ingeniería Mecánica y de Materiales en Georgia Tech.

“Pero hemos descubierto que no siempre es así”, agrega. Para su estudio,que se publica en la revista ‘Joule’ y fue patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos y el Departamento de Energía estadounidense, el equipo de investigación analizó cómo tres iones diferentes, litio, sodio y potasio, reaccionaban con partículas de sulfuro de hierro, también llamado pirita.

A medida que las baterías se cargan y descargan, los iones reaccionan constantemente penetrando las partículas que componen el electrodo de la batería. Este proceso de reacción causa grandes cambios de volumen en las partículas del electrodo, a menudo dividiéndolos en pequeños pedazos. Debido a que los iones de sodio y potasio son más grandes que el litio, tradicionalmente se ha pensado que causan una degradación más significativa cuando reaccionan con partículas.

En sus experimentos, las reacciones que ocurren dentro de una batería se observaron directamente dentro de un microscopio electrónico, con las partículas de sulfuro de hierro desempeñando el papel de un electrodo de batería. Los científicos encontraron que el sulfuro de hierro era más estable durante la reacción con el sodio y el potasio que con el litio, lo que indica que una batería de este tipo basada en el sodio o el potasio podría tener una vida mucho más larga de lo esperado.

Elementos 1.000 veces más abundantes en la corteza terrestre

La diferencia entre cómo reaccionaron los diferentes iones fue marcada visualmente. Cuando se exponen al litio, las partículas de sulfuro de hierro casi parecen explotar bajo el microscopio electrónico. Por el contrario, el sulfuro de hierro se expandió como un globo cuando se expuso al sodio y al potasio.

“Vimos una reacción muy robusta sin fractura, algo que sugiere que este material y otros materiales como éste se podrían usar en estas nuevas baterías con una mayor estabilidad en el tiempo”, dice Matthew Boebinger, estudiante graduado de ‘Georgia Tech’.

El estudio también arroja dudas sobre la noción de que los grandes cambios de volumen que ocurren durante la reacción electroquímica son siempre un precursor de la fractura de partículas, lo que provoca fallos en los electrodos que conducen a la degradación de la batería.

Los investigadores sugirieron que una posible razón para la diferencia en cómo reaccionaron los diferentes iones con el sulfuro de hierro es que era más probable que el litio concentrara su reacción a lo largo de los bordes agudos de la partícula, mientras que la reacción con sodio y potasio era más difusa a lo largo de toda la superficie de la partícula de sulfuro de hierro.

Como resultado, la partícula de sulfuro de hierro al reaccionar con sodio y potasio desarrolló una forma más ovalada con bordes redondeados. Aunque aún queda trabajo por hacer, los nuevos hallazgos de la investigación podrían ayudar a los científicos a diseñar sistemas de baterías que usen este tipo de materiales novedosos

“Las baterías de litio siguen siendo las más atractivas en este momento porque tienen la mayor densidad de energía; pueden empaquetar mucha energía en ese espacio –subraya McDowell–. Las baterías de sodio y potasio en este momento no tienen más densidad, pero se basan en elementos mil veces más abundantes en la corteza terrestre que el litio, por lo que podrían ser mucho más baratos en el futuro, lo que es importante para la energía a gran escala almacenamiento: energía de respaldo para los hogares o la red de energía del futuro”.

Fuente: europapress.es