El grafeno de dos caras multiplica por diez la capacidad de las baterías de iones de sodio

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Crédito: Marcus Folino y Yen Strandqvist/Universidad Tecnológica de Chalmers

Ya sea formando espumas especiales que actúan como interruptores térmicos, mezclándose con la cerámica para formar electrolitos ultrarresistentes o utilizándose para enjaular delicadas partículas de silicio, el grafeno ya está dando forma al futuro de la tecnología de las baterías de maneras interesantes. Unos científicos suecos han utilizado una nueva forma de este material maravilloso en una batería de sodio sostenible y han demostrado que puede multiplicar por diez su capacidad.

Los científicos que buscan diseños de baterías nuevos y mejorados se sienten atraídos por el sodio, muy abundante, como sustituto del litio, caro y difícil de obtener. Estas baterías de iones de sodio funcionarían de forma muy parecida a las actuales baterías de iones de litio, generando energía mediante el traslado de iones entre un par de electrodos en un electrolito líquido, pero en la actualidad su rendimiento no está a la altura.

En parte, esto se debe al mayor tamaño de los iones de sodio, en comparación con los de litio, por lo que no gelifican tan bien con los electrodos de grafito que consisten en capas apiladas de grafeno. Normalmente, los iones entrarían y saldrían libremente del electrodo de grafito a medida que la pila se somete a ciclos, en un proceso conocido como intercalación, pero los iones de sodio, más voluminosos, no pueden almacenarse eficazmente dentro de la estructura. Esto dificulta considerablemente el rendimiento de la batería de iones de sodio y le confiere una capacidad de unos 35 mAh/g, una décima parte de lo que ofrece la química de iones de litio.

En busca de una solución a este problema, los científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers recurrieron a una nueva forma de grafeno con propiedades peculiares. El grafeno Janus, llamado así por un dios romano famoso por tener dos caras, presenta moléculas en una sola cara que actúan como espaciadores y sitios de interacción activa para los iones de sodio.

Ya hemos visto esta idea aplicada a las denominadas partículas Janus, que permiten crear esferas que atraen y repelen el agua, por ejemplo. En este caso, las moléculas que se encuentran sólo en una cara del material de grafeno facilitan las interacciones electrostáticas entre las láminas apiladas, al tiempo que crean más espacio entre ellas, lo que, según el equipo, ha permitido ganar mucha capacidad.

"Hemos añadido una molécula espaciadora en una cara de la capa de grafeno", explica Jinhua Sun, miembro del equipo. "Cuando las capas se apilan, la molécula crea un mayor espacio entre las hojas de grafeno y proporciona un punto de interacción, lo que conduce a una capacidad significativamente mayor".

Al utilizar su novedoso grafeno Janus en lugar de grafito, los científicos lograron una capacidad de 332 mAh/g en su batería experimental de sodio, que es unas 10 veces superior a los diseños convencionales y se acerca a la capacidad del litio en el grafito.

"Fue realmente emocionante cuando observamos la intercalación de iones de sodio con una capacidad tan alta", dice el autor del estudio, el profesor Aleksandar Matic. "La investigación está aún en una fase inicial, pero los resultados son muy prometedores. Esto demuestra que es posible diseñar capas de grafeno con una estructura ordenada que se adapte a los iones de sodio, haciéndolo comparable al grafito".

Fuentes, créditos y referencias:

Jinhua Sun et al, Real-time imaging of Na+ reversible intercalation in "Janus" graphene stacks for battery applications, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abf0812