La imagen ilustra una estructura en capas compuesta de metales de transición (azul) y azufre (amarillo). El espacio entre las capas puede estar ocupado por iones de sodio (púrpura) y moléculas de solventes orgánicos (rojo, marrón) a través de un proceso llamado co-intercalación. Crédito: Y. Sun et al., Nature Materials 2025
Las baterías de iones de litio y iones de Na funcionan a través de un proceso llamado intercalación, donde los iones se almacenan e intercambian entre dos electrodos químicamente diferentes. Por el contrario, la cointercalización, un proceso en el que tanto los iones como las moléculas de solventes se almacenan simultáneamente, se ha considerado tradicionalmente indeseable debido a su tendencia a causar una falla rápida de la batería.
Contra esta opinión tradicional, un equipo de investigación internacional dirigido por Philipp Adelhelm ahora ha demostrado que la cootercalización puede ser un proceso reversible y rápido para materiales de cátodo en baterías de iones de Na. El enfoque de almacenar conjuntamente iones y solventes en materiales de cátodo proporciona un nuevo mango para diseñar baterías con alta eficiencia y capacidades de carga rápida. Los resultados son publicado en materiales de la naturaleza.
El rendimiento de las baterías depende de muchos factores. En particular, depende de cómo se almacenan los iones en los materiales de los electrodos y si se pueden liberar nuevamente. Esto se debe a que los portadores de carga (iones) son relativamente grandes y pueden causar un cambio indeseable en el volumen cuando migran al electrodo. Este efecto, conocido como “respiración”, perjudica la vida útil de la batería.
El cambio de volumen es particularmente pronunciado cuando los iones de sodio migran junto con moléculas del electrolito orgánico. Esta llamada cointercalización generalmente se ha considerado perjudicial para la duración de la batería. Sin embargo, un equipo de investigación internacional dirigido por Adelhelm ahora ha investigado los materiales de cátodo que permiten la co-intervención de iones y moléculas de solventes, lo que permite procesos de carga y descarga más rápidos.
Cointercalación en anodes
En estudios anteriores, el equipo investigó la co-interculación en los ánodos de grafito, lo que demuestra que el sodio podría migrar de manera rápida y reversible dentro y fuera del electrolito en muchos ciclos cuando se combina con moléculas glyme. Sin embargo, demostrar el mismo concepto para los materiales de cátodo siguió siendo difícil. Para abordar este desafío, el equipo exploró una gama de sulfuros de metales de transición en capas e identificó procesos de co-intercultación de solventes en materiales de cátodo.
“El proceso de cointercalización podría usarse para desarrollar baterías muy eficientes y de carga más rápida. Es por eso que queríamos investigar este tema con más detalle”, dice el profesor Adelhelm.
Co-Intercalación en cátodos: un proceso diferente
El estudio incorpora investigaciones detalladas de los últimos tres años: el Dr. Yanan Sun realizó mediciones de cambio de volumen en los materiales de cátodo, realizó análisis estructurales con radiación sincrotrón en Petra III en Desy e investigó las propiedades electroquímicas para una variedad de combinaciones de electrodos y solventes. Por apoyo de la teoría, en colaboración con el Dr. Gustav Åvall, se podrían identificar parámetros importantes que ayudan a predecir las reacciones de cointercalación en el futuro.
Ventaja: cinética súper rápida
“El proceso de co-intercultación en materiales de cátodo difiere significativamente de lo que sucede en los ánodos de grafito”, explica Sun. Mientras que las reacciones de cointercalización en los ánodos de grafito generalmente dan como resultado electrodos de baja capacidad, la pérdida de capacidad causada por la cointercalación en los materiales del cátodo investigado es muy baja.
“Sobre todo, ciertos materiales de cátodo ofrecen una gran ventaja: la cinética es súper rápida, casi como un supercondensador”, enfatiza Sun.
Vastas paisajes químicos para materiales novedosos
“La verdadera belleza de las reacciones de co-intercultación radica en su capacidad para ofrecer un vasto paisaje químico para diseñar nuevos materiales en capas para diversas aplicaciones”, dice Adelhelm.
“Explorar el concepto de co-intercalación fue extremadamente riesgoso porque está en contra del conocimiento clásico de la batería. Los hallazgos son el resultado de un esfuerzo de colaboración de muchas personas talentosas y no habrían sido posibles sin las oportunidades proporcionadas por el Grupo de Investigación Conjunta sobre el análisis de la batería de operación financiado por Helmholtz-Zentrum Berlin y Humboldt-Inserción”, agrega, agrega.
“El recientemente anunciado Berlin Battery Lab entre HZB, HU y BAM brindará aún más oportunidades para proyectos de investigación conjuntos en Berlín”.
Más información: Yanan Sun et al, cointercalación de solventes en materiales activos de cátodo en capas para baterías de iones de sodio, materiales de la naturaleza (2025). Dos: 10.1038/s41563-025-02287-7
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemania
Cita: El proceso de interacción de co-interacción permite las baterías de sodio de carga rápida (2025, 21 de julio) Recuperado el 21 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-interCalation-Nables-Fast-Sodium-Batteries.html
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