Un equipo de investigación de la Universidad de Houston ha desarrollado un cátodo orgánico que mejora la estabilidad y la densidad de energía de las baterías de iones de sodio de estado sólido ofreciendo un ciclo de vida más largo. El secreto de este salto en el rendimiento está en la flexibilidad del cátodo y la interfaz que se forma con el electrolito.
Las baterías de iones de sodio ofrecen un rendimiento inferior a las de litio, a cambio de brindar una mayor seguridad en relación con los riesgos de incendio y explosión. Dos son los hallazgos que han permitido eliminar las limitaciones de estas baterías.
La primera solución se centra en la interfaz resistiva que se forma durante la carga y la descarga entre el electrolito y el cátodo, responsable de la pérdida de estabilidad. El grupo de investigación ha logrado invertir la formación de esta capa, extendiendo la vida de la batería.
Normalmente, la capacidad de una batería de estado sólido para almacenar energía se detiene cuando se forma una interfaz resistiva entre el electrolito y el cátodo. La reversibilidad de la interfaz es clave, ya que permite que la batería de estado sólido mantenga su densidad de energía durante toda su vida útil, sin sacrificar la durabilidad. Actualmente la tecnología permite disponer de electrolitos sólidos que son suficientemente conductores, tanto como los electrolitos líquidos utilizados en las baterías de iones de litio, que permite lograr la reversibilidad de la interfaz.
Esquema de funcionamiento de una batería de sodio.
La segunda solución es la flexibilidad del cátodo orgánico, que permite que el contacto con el electrolito sea continuo, incluso cuando el cátodo se expande o se contrae durante los ciclos de carga y descarga. El problema que plantean los electrolitos sólidos su dificultad para mantener un contacto profundo con el cátodo. Con los cátodos rígidos tradicionales, que se expanden y se contraen durante los ciclos de carga y descarga, este contacto se pierde. Con la implementación de un cátodo orgánico, que es mucho más flexible, el contacto puede permanecer estable mejorando el número de ciclos disponibles sin perder rendimiento. Según los investigadores, el contacto se mantuvo estable durante al menos 200 ciclos.
Yan Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Houston, es el autor del artículo publicado en la revista Joule en el que explica que este cátodo orgánico, conocido como PTO (preno-4,5,9,10-tetraona), ofrece ventajas sobre los cátodos inorgánicos utilizados hasta ahora. El cátodo orgánico es electroquímica y mecánicamente compatible con un electrolito de sulfuro. Su moderado potencial redox permite la formación de una interfaz resistiva reversible entre el material activo y el electrolito.
Además de Yao, también han colaborado en la investigación Hao y Chi, Liang, Ye Zhang y Hui Dong, todos ellos pertenecientes a la Universidad de Houston, Rong Xu y Kejie Zhao de la Universidad de Purdue y Hua Guo, Tanguy Terlier y Jun Lou de la Universidad Rice. La mayor parte de este trabajo fue financiado por la Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) del Departamento de Energía de EE. UU.
