El caso de las baterías de iones de sodio basadas en carbono duro

Las baterías de iones de sodio han suscitado gran interés por sus ventajas frente a la omnipresente tecnología de iones de litio, como el bajo coste de las materias primas, la mayor seguridad, la capacidad de carga rápida y el rendimiento a bajas temperaturas. Con esta tecnología a punto de comercializarse, la búsqueda de materiales de electrodo de alto rendimiento electroquímico es constante y el carbono duro se perfila como el material de ánodo más prometedor.

Ahora, un nuevo trabajo de investigación elaborado por científicos de la Universidad de Fuzhou (China) y la Universidad de Macao ha resumido los retos y las perspectivas de futuro del carbono duro.

Los investigadores señalan que la comercialización del carbono duro sigue enfrentándose a problemas técnicos como la baja eficiencia coulómbica inicial, el bajo rendimiento y la insuficiente estabilidad cíclica, debido a la microestructura intrínsecamente irregular del carbono duro.

“Para hacer frente a estos problemas, el diseño racional de la microestructura del carbono duro es crucial para lograr baterías de iones de sodio de alto rendimiento, mediante la obtención de una comprensión en profundidad de sus correlaciones estructura-rendimiento”, escriben.

Además, su revisión examina una serie de estudios de investigación propiciados por la aparición de los electrodos de carbono duro, abarcando en el proceso el mecanismo de almacenamiento de sodio de los electrodos de carbono duro, la selección de precursores de carbono duro, la ingeniería de adaptación de electrolitos y los requisitos para la ingeniería comercial práctica.

Los investigadores destacan la importancia de la selección de precursores, ya que la mayoría de los precursores de electrodos de carbono duro proceden de materiales de biomasa y derivados de productos industriales, como la celulosa, la hoja de ginkgo, la glucosa, el algodón, la resina, la sacarosa o la glucosa. “La selección de precursores escalables y de bajo coste se ha convertido en un factor clave que afecta a la comercialización del carbono duro”, escriben.

Su revisión también considera varios mecanismos de almacenamiento de sodio, como el modelo de llenado de nanoporos por inserción, el modelo de absorción-inserción, el modelo de llenado de nanoporos por absorción o el modelo de llenado de nanoporos por absorción-inserción, que pueden producir materiales de carbono duro con diferentes propiedades.

Además, los investigadores subrayan la importancia de combinar el electrodo de carbono duro con el electrolito adecuado como factor importante para el rendimiento electroquímico de las pilas. Señalan que los electrolitos de éster combinan mal con el carbono duro, por lo que la búsqueda de electrolitos de éster de alto voltaje debería ser una prioridad.

“En el futuro, será crucial determinar cómo construir carbono duro de alto rendimiento para conseguir aplicaciones comerciales prácticas de las baterías de iones de sodio, y para ello será necesario conocer a fondo el mecanismo real de almacenamiento de iones de sodio, la preparación del carbono duro y la selección de precursores, así como la regulación de los electrolitos”, escriben los investigadores.

Por último, el artículo subraya las vías de desarrollo futuro del carbono duro para lograr la comercialización de baterías de iones de sodio de alto rendimiento.

Esto incluye un estudio más profundo del mecanismo de almacenamiento de sodio del carbono duro para ayudar a mejorar el rendimiento electroquímico de los electrodos de carbono duro, una mejora adicional de su rendimiento electroquímico, el desarrollo de materiales precursores de bajo coste, bajo consumo energético y alto rendimiento de carbono, y los derivados de material de desecho industrial, así como tratamientos de presodiación que puedan garantizar una alta eficiencia coulómbica y optimizar la densidad energética de la batería.

“Aunque la aparición de los electrodos de carbono duro ha impulsado realmente la comercialización de las baterías de iones de sodio, aún hay que seguir trabajando para que ésta sea una realidad”, escriben los investigadores en el artículo titulado “Revitalizing sodium-ion batteries via controllable microstructures and advanced electrolytes for hard carbon” (Revitalización de las baterías de iones de sodio mediante microestructuras controlables y electrolitos avanzados para carbono duro), publicado en eScience.