El dopaje SC mejora la estabilidad estructural de P’2 namno2 mientras mantiene la distorsión cooperativa de Jahn-Teller, lo que mejora significativamente la estabilidad del ciclo. Crédito: Profesor Shinichi Komaba de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón
Debido a que el litio es relativamente escaso y el sodio es abundante en la corteza de la Tierra, las baterías de iones de sodio se están investigando como alternativas viables y rentables a las baterías de iones de litio ampliamente utilizadas. En estas baterías, la elección del material del cátodo influye principalmente en la capacidad y la estabilidad de la batería.
Los óxidos de manganeso de sodio en capas (NA2/3MNO2) han atraído una atención significativa en los últimos años como materiales de cátodo para baterías de iones de sodio de alta capacidad sin usar metales de tierra rara. Sin embargo, si bien estos materiales exhiben una alta capacidad inicial, su decadente de capacidad rápida durante el ciclo de carga de carga sigue siendo un desafío significativo.
Durante el ciclo de descarga de carga de electrodos Namno2, los iones Na+ se insertan constantemente y se extraen del material del cátodo. Esto se acompaña de cambios en los estados de oxidación del manganeso (MN) entre Mn3+ a Mn4+. Cuando se forman los iones Mn3+, distorsionan su red circundante a una energía electrónica más baja, un fenómeno conocido como distorsión de Jahn-Teller.
Con el tiempo, estas distorsiones repetidas conducen a una acumulación de tensión a niveles atómico y de partículas en Namno2, lo que eventualmente resulta en la pérdida de cristalinidad y degradación severa de la capacidad. Esta es la principal causa de pérdida de capacidad durante el ciclo de electrodos Na2/3MnO2. Estudios recientes han intentado abordar este problema sustituyendo metales en los sitios de MN.
En un estudio reciente, un equipo de investigación dirigido por el profesor Shinichi Komaba, junto con el Sr. Kodai Moriya y el científico del proyecto Dr. Shinichi Kumakura, del Departamento de Química Aplicada en la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, reveló cómo el dopaje de Scandium (SC) puede mejorar drásticamente la estabilidad del ciclismo de P’2 PolyType of Na2/3MnO2 Electroodes.
“Anteriormente, descubrimos que el dopaje SC en los electrodos O2 P’2 Na2/3 (MN1-XSCX) puede mejorar el rendimiento de la batería y la estabilidad a largo plazo”, explica el profesor Komaba. “Sin embargo, el mecanismo exacto para esta mejora sigue sin resolverse, y no estaba claro si este efecto es generalmente aplicable. En este estudio, estudiamos sistemáticamente los politis P2 y P’2 de Na2/3 (MN1-XSCX) O2 para comprender el papel del dopaje SC”.
Su estudio fue publicado en la revista Materiales avanzados el 12 de septiembre de 2025.
La estructura cristalina de Na2/3MnO2 tiene varios politipios, que difieren en varios aspectos. Una diferencia clave entre los politipios P2 y P’2 es que el primero exhibe distorsiones localizadas de Jahn-Teller, mientras que el segundo presenta una distorsión cooperativa de Jahn-Teller donde las distorsiones están alineadas en un orden de largo alcance. Los investigadores realizaron una serie de experimentos en muestras dopadas y sin dopar de cada politipo que contenía cantidades variables de SC.
Las pruebas estructurales revelaron que el dopaje SC en P’2 Na2/3 (MN1-XSCX) O2 modula efectivamente su estructura, lo que resulta en partículas más pequeñas y un crecimiento de cristal alterado, al tiempo que preserva la distorsión y la superestructura cooperativa de Jahn. Esto mejora significativamente la estabilidad estructural. Además, el equipo descubrió que el dopaje SC previene las reacciones laterales con electrolitos líquidos y mejora la estabilidad de la humedad al formar una capa de interfaz de electrolito de cátodo.
Como resultado, en las pruebas de células medio na, los electrodos O2 de tipo P’2 dopado con SC na2/3 (MN1-XSCX) demostraron una mejora sustancial en la estabilidad del ciclo. Se encontró que la muestra con dopaje de 8% SC tenía un rendimiento óptimo.
Los investigadores también encontraron que, a diferencia de las muestras no dopadas, la cristalinidad de las muestras dopadas se mantuvo notablemente durante el ciclo. Curiosamente, el dopaje SC no mejoró la estabilidad del ciclo de los electrodos P2 Namno2, lo que indica una sinergia específica entre el dopaje SC y la distorsión cooperativa de Jahn-Teller. Además, el dopaje con otros cationes metálicos similares, como Itterbium y aluminio, no redujo el desvanecimiento de la capacidad, destacando el papel único de SC.
También probaron el efecto del ciclo previo, una técnica común para mejorar la vida útil del ciclo, lo que mejoró aún más la retención de capacidad en los electrodos O2 P’2 Na2/3 (MN1-XSCX) dopados. Sobre la base de estos resultados, los investigadores fabricaron células llenas de tipo monedas usando los electrodos O2 P’2 Na2/3 (MN1-XSCX) dopados con 8%, que demostró una impresionante retención de capacidad del 60% después de 300 ciclos.
“Dado que SC es un metal costoso, nuestro estudio demuestra su viabilidad en el desarrollo de baterías. Nuestros hallazgos pueden conducir al desarrollo de baterías de alto rendimiento y de iones de sodio de larga vida”, dice el profesor Komaba, destacando la importancia de su investigación.
“Además, más allá de las baterías de iones de sodio, nuestro estudio ilustra una nueva estrategia para extender la estabilidad estructural de los óxidos metálicos en capas que involucran la distorsión de la red y mejorar el rendimiento de las baterías hechas con estos materiales”.
En general, este estudio demuestra el papel único del dopaje SC para mejorar la estabilidad del ciclismo de las baterías de iones de sodio, allanando el camino para su adopción más amplia.
Más información: Kodai Moriya et al, impactos únicos del dopaje de escandio en el rendimiento del electrodo de NA2/3MNO2 de tipo P2 y P2, Materiales avanzados (2025). Dos: 10.1002/ADMA.202511719
Proporcionado por la Universidad de Ciencias de Tokio
Cita: la técnica de dopaje de escandio extiende la duración de la batería de iones de sodio (2025, 17 de septiembre) Consultado el 17 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-scandium-doping-technique-sodium-ion.html
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