Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Gotewmburgo, Suecia, ha utilizado un ánodo a base de grafeno para resolver el problema de la falta de capacidad de las baterías de sodio. Con esta solución esta tecnología de batería puede igualar en capacidad energética a las de litio, resolviendo su principal problema y añadiendo la ventaja de la abundancia del sodio en la naturaleza.
Las baterías de iones de litio se utilizan hoy en día en la práctica totalidad de las aplicaciones móviles, como teléfonos, ordenadores portátiles o vehículos eléctricos. Su ventaja está en la densidad de energía que ofrecen, que se traduce en más autonomía, por encima de la longevidad o la estabilidad de sus componentes. Su mayor inconveniente es que el litio, es escaso y caro. A medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos y de las instalaciones estacionarias de almacenamiento de electricidad, estos materiales se harán más difíciles de obtener y posiblemente elevarán su precio.
El sodio es un material que se obtiene de los océanos o de la corteza terrestre y por lo tanto es barato, abundante y sostenible, lo que lo convierte en un gran candidato para el almacenamiento de energía a gran escala. Según Bloomberg "el sodio es el sexto elemento más abundante en la tierra: es ilimitado y sostenible ya que se cosecha, no se extrae".
Desafortunadamente, estas baterías no tienen tanta energía como las baterías de litio y también dan problemas de degradación a la hora de cargarse y descargarse. En una batería de iones de litio, los iones entran y salen de las capas de grafito que forman el ánodo (electrodo negativo de la batería), en un proceso llamado intercalación. Debido a que los iones de litio son bastante pequeños, pueden entrar y salir de la estructura de grafito sin producir una deformación excesiva de manera que una gran cantidad de ellos puede almacenarse, produciendo niveles aceptables capacidad energética.
Sin embargo, los iones de sodio son más grandes que los iones de litio y no encajan muy bien en el ánodo de grafito cuando la batería se está cargando. Para abordar este problema, un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, ha encontrado una forma de resolver esto empleando un ánodo de grafeno. En el comunicado de prensa, Jinhua Sun, del Departamento de Ciencia Industrial y Materiales explica que la estrategia que se ha seguido es agregar un espaciador de moléculas en un lado de la capa de grafeno. "Cuando las capas se apilan, la molécula crea un espacio más grande entre las hojas de grafeno proporcionando un punto de interacción, lo que conduce a una capacidad significativamente mayor".
El uso de un nuevo tipo de láminas de grafeno, con moléculas intermedias, permite que los iones de sodio (en verde) almacenen energía de manera eficiente.
Según los investigadores, la capacidad típica de intercalación de sodio en el grafito estándar es de aproximadamente 35 mAh/g, es decir, menos de una décima parte de la capacidad de intercalación de los iones de litio en ese mismo grafito. Con la nueva estructura de grafeno, la capacidad específica para los iones de sodio aumenta hasta 332 mAh/g, acercándose al valor que ofrecen los iones de litio en el grafito normal. Además, los resultados obtenidos por el equipo de Chalmers muestran una reversibilidad total y una alta estabilidad en los ciclados de carga y descarga, resolviendo el segundo problema de esta tecnología de baterías.
Grafeno Janus
Para lograr estos resultados los investigadores han utilizado un grafeno al que han llamado 'Janus', porque "tiene una funcionalización química asimétrica en las caras opuestas" (Jano es un dios romano de dos caras que le permiten vigilar hacia adelante y hacia atrás).
Según el comunicado Janus se define como una nanoestructura artificial única en la que la cara superior de cada hoja de grafeno tiene una molécula que actúa como espaciador y como lugar de interacción activa para los iones de sodio. Cada molécula se sitúa entre dos hojas apiladas de grafeno, ambas conectadas por un enlace covalente, e interactúa con la superior a través de reacciones electrostáticas. Las capas de grafeno de Janus tienen un tamaño de poro uniforme, densidad de funcionalización controlable y pocos bordes.
Según indica Vincenzo Palermo, profesor afiliado del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales en Chalmers, "nuestro material aún está lejos de las aplicaciones industriales, pero los resultados muestran que podemos diseñar las láminas de grafeno ultradelgadas y crear el pequeño espacio entre ellas para lograr un almacenamiento de energía de alta capacidad".
