Bateriile cu ioni de sodiu ar putea face un pas important spre o utilizare mai largă după ce cercetătorii au găsit o metodă de a le îmbunătăți stabilitatea în timpul încărcărilor și descărcărilor repetate. Secretul noii abordări nu este un material exotic, ci un element chimic cunoscut de mii de ani: fierul.
O echipă de cercetători de la Universitatea Nanjing și alte institute de cercetare a demonstrat că ionii de fier pot regla reacțiile chimice ale oxigenului din structura catodului. Prin acest mecanism, materialul poate păstra mai bine capacitatea de a stoca energie, reducând una dintre problemele care limitează dezvoltarea bateriilor cu sodiu. Studiul a fost publicat în revista Nature Energy.
De ce sunt importante bateriile cu ioni de sodiu
Bateriile cu ioni de sodiu funcționează după un principiu asemănător celui întâlnit la bateriile litiu-ion. În timpul încărcării și descărcării, ionii se deplasează între doi electrozi, iar reacțiile chimice asociate permit stocarea și eliberarea energiei. Diferența esențială este că, în locul litiului, aceste baterii folosesc sodiu.
Sodiul este mai abundent decât litiul, ceea ce îl face un candidat interesant pentru sisteme de stocare a energiei care trebuie să fie accesibile și ușor de produs. Totuși, înlocuirea unui element cu altul nu rezolvă automat toate problemele. Pentru ca o baterie să fie utilă, ea trebuie să combine o capacitate bună de stocare cu o durată de viață cât mai mare.
Aici apare una dintre dificultățile materialelor folosite în multe baterii sodiu-ion: oxigenul din structura cristalină a catodului poate participa la reacțiile care stochează energie, dar nu revine întotdeauna complet la starea inițială. În timp, această lipsă de reversibilitate poate afecta structura catodului și performanța bateriei.
Oxigenul din catod, o sursă de energie și o problemă de stabilitate
În multe baterii cu ioni de sodiu, catodul este alcătuit dintr-un oxid stratificat, un material în care straturi de atomi metalici și oxigen sunt dispuse într-o structură cristalină. Ionii de sodiu se pot deplasa în această structură, iar reacțiile de oxidare și reducere permit bateriei să funcționeze.
În anumite materiale, nu doar ionii metalici participă la aceste reacții. Și oxigenul din rețeaua cristalină poate contribui la stocarea energiei. Acest fenomen, numit reacție redox a oxigenului din rețea, poate crește densitatea energetică a bateriei, adică energia stocată pentru fiecare kilogram de material.
Problema este că oxigenul oxidat nu revine întotdeauna la starea sa inițială după descărcare. Atunci când bateria este încărcată și descărcată în mod repetat, aceste modificări pot favoriza instabilitatea structurală a catodului. Cu alte cuvinte, reacția care ajută bateria să stocheze mai multă energie poate contribui, în același timp, la degradarea ei.
Cercetătorii au încercat să rezolve această contradicție printr-o abordare inspirată de chimia transferului de electroni.
Fierul funcționează ca un intermediar al reacțiilor
Noua strategie presupune introducerea fierului într-un material catodic alcătuit din sodiu, mangan, magneziu, fier și oxigen. Formula chimică a materialului este Na₂/₃Mn₇/₁₂Mg₁/₄Fe₁/₆O₂. În acest material, ionii de fier nu au doar rolul de a face parte din structura catodului. Ei acționează ca mediatori redox, adică intermediari care facilitează transferul de electroni între alte componente ale materialului.
În timpul încărcării, ionii de fier în stare Fe⁴⁺ pot prelua electroni de la oxigenul din rețeaua cristalină. În timpul descărcării, ionii de fier în stare Fe²⁺ pot furniza electroni înapoi oxigenului oxidat. Astfel, fierul contribuie la un mecanism prin care oxigenul poate reveni mai ușor la starea sa inițială.
Imaginea simplificată este aceea a unui intermediar chimic care ajută electronii să circule într-un mod mai controlat. În loc ca oxigenul să fie nevoit să suporte singur modificările de sarcină, fierul participă la transfer și reduce dificultatea revenirii la starea inițială.
O reversibilitate îmbunătățită de la 75% la 99%
Rezultatele obținute de cercetători sugerează că această intervenție poate schimba semnificativ comportamentul materialului. Potrivit studiului, reversibilitatea reacțiilor redox ale oxigenului din rețea a crescut de la 75% la 99% cu ajutorul medierii realizate de ionii de fier.
Această diferență este importantă deoarece o reacție mai reversibilă înseamnă că materialul poate trece mai ușor prin ciclurile de încărcare și descărcare fără să își piardă structura chimică inițială. În cazul unei baterii, stabilitatea reacțiilor este esențială pentru menținerea capacității de stocare a energiei.
Totuși, o reversibilitate mai bună a unei reacții nu înseamnă automat că întreaga baterie va avea o durată de viață nelimitată. Performanța unei baterii depinde de mai multe componente și de interacțiunile dintre ele. De aceea, cercetătorii au testat materialul și într-o celulă de baterie propriu-zisă.
Bateriile cu sodiu au atins 206 Wh/kg în testele de laborator
Pentru a verifica dacă noul material poate funcționa într-un sistem real de stocare a energiei, cercetătorii l-au folosit drept catod într-o celulă de tip „pouch”, un format utilizat în cercetarea bateriilor și în unele aplicații comerciale.
În testele efectuate, celula cu ioni de sodiu a atins o densitate energetică de 206 Wh/kg și a funcționat stabil timp de 100 de cicluri de încărcare și descărcare, păstrând 87,8% din capacitatea inițială.
Aceste rezultate sunt promițătoare, dar trebuie interpretate în contextul cercetării de laborator. O baterie destinată utilizării comerciale trebuie să îndeplinească mult mai multe condiții, inclusiv costuri de producție, siguranță, durată de viață, performanță la temperaturi diferite și compatibilitate cu procesele industriale.
Cu toate acestea, studiul arată că îmbunătățirea reacțiilor chimice din interiorul bateriei poate fi o cale eficientă pentru a obține materiale mai stabile, fără a renunța la avantajul densității energetice ridicate.
Ce ar putea însemna această descoperire pentru viitorul bateriilor
Bateriile cu ioni de sodiu sunt urmărite de cercetători ca o posibilă alternativă sau completare la bateriile litiu-ion. Ele nu trebuie neapărat să înlocuiască toate bateriile existente pentru a deveni importante. Pot avea un rol în aplicații în care costul materialelor, disponibilitatea resurselor și durata de viață sunt prioritare.
Noul studiu nu demonstrează că bateriile cu sodiu sunt deja pregătite să înlocuiască bateriile litiu-ion în toate aplicațiile. Ea arată însă că fierul poate fi folosit pentru a îmbunătăți stabilitatea unui catod cu densitate energetică ridicată, oferind o direcție interesantă pentru dezvoltarea viitoarelor materiale de stocare a energiei.
În viitor, această abordare ar putea inspira proiectarea unor catoduri cu compoziții similare, în care reacțiile oxigenului să fie mai bine controlate. Dacă rezultatele vor fi confirmate în teste mai extinse și în condiții mai apropiate de utilizarea practică, ele ar putea contribui la dezvoltarea unor baterii cu sodiu mai durabile și mai competitive.
Sursa: Tech Xplore