Atin Pramanik, un asociado postdoctoral en el laboratorio de Ajayan, examina el prototipo de la batería. Crédito: Jeff Fitlow / Rice University
Como demanda global de vehículos eléctricos y aumentos de almacenamiento de energía renovable, también lo hace la necesidad de tecnologías de baterías asequibles y sostenibles. Un nuevo estudio ha introducido una solución innovadora que podría afectar las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímica.
La investigación se publica en la revista Advanced Functional Materials. El trabajo fue dirigido por investigadores del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de la Universidad de Rice, junto con colaboradores de la Universidad de Baylor y del Instituto Indio de Educación Científica e Investigación Thiruvananthapuram.
Utilizando el subproducto de una industria de petróleo y gas, el equipo trabajó con materiales de carbono de forma única, conos y discos de tinería) con una estructura grafítica pura. Estas formas inusuales producidas a través de la pirólisis escalable de los hidrocarburos podrían ayudar a abordar un desafío de larga data para los ánodos en la investigación de la batería: cómo almacenar energía con elementos como sodio y potasio, que son mucho más baratos y más ampliamente disponibles que el litio.
“Durante años, hemos sabido que el sodio y el potasio son alternativas atractivas al litio”, dijo el autor correspondiente Pulickel Ajayan, profesor de ingeniería de Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson en Rice. “Pero el desafío siempre ha sido encontrar materiales de ánodo a base de carbono que pueden almacenar estos iones más grandes de manera eficiente”.
Romper la barrera de grafito
Las baterías tradicionales de iones de litio dependen del grafito como material de ánodo. Sin embargo, la misma estructura de grafito falla cuando se trata de sodio o potasio. Sus átomos son simplemente demasiado grandes e interacciones demasiado complejas para deslizarse dentro y fuera de las capas bien llenas de grafito.
Pero al repensar la forma del carbono a nivel microscópico, el equipo encontró una solución. Las estructuras de cono y disco ofrecen curvatura y espacios que dan la bienvenida a los iones de sodio y potasio sin la necesidad de dopaje químico (el proceso de agregar pequeñas cantidades intencionalmente de átomos o moléculas específicas para cambiar sus propiedades) u otras modificaciones artificiales.
“Nos sorprendió ver cuán bien se realizaron estas estructuras grafíticas puras y curvas”, dijo el primer autor Atin Pramanik, asociado postdoctoral en el laboratorio de Ajayan. “Incluso sin heteroátomos, permitieron la intercalación reversible de los iones de sodio y lo hicieron con un estrés estructural mínimo”.
Duradero, escalable y verde
En las pruebas de laboratorio, los conos y discos de carbono almacenaban aproximadamente 230 miliamperios de carga de carga por gramo (mAh/g) usando iones de sodio, y aún tenían 151 mAh/g incluso después de 2,000 ciclos de carga rápida. También funcionaron bien con baterías de iones de potasio, pero el rendimiento no fue tan fuerte como con el sodio.
Técnicas avanzadas de imágenes como la microscopía electrónica de transmisión criogénica y la resonancia magnética nuclear de estado sólido confirmaron que los iones estaban entrando y saliendo de la estructura de carbono como se esperaba y que el material mantuvo su forma en miles de ciclos de carga de carga.
“Esta es una de las primeras demostraciones claras de intercalación de iones de sodio en materiales grafíticos puros con tal estabilidad”, dijo Pramanik. “Desafía la creencia de que el grafito puro no puede funcionar con sodio”.
Las implicaciones son de gran alcance. Esto no solo allana el camino para baterías de iones de sodio más asequibles, sino que también reduce la dependencia del litio, lo que se está volviendo más caro y geopolíticamente complicado de obtener. Debido a que el carbono del cono/disco se puede sintetizar a partir de los subproductos de la industria del petróleo y el gas, también presenta una ruta más sostenible para la producción del ánodo de la batería.
Un punto de inflexión para el diseño de la batería
Si bien la mayoría de las investigaciones en esta área se han centrado en los carbonos duros o los materiales dopados, el nuevo estudio marca un imitador en la estrategia: enfatizar la morfología sobre la modificación química.
“Creemos que este descubrimiento abre un nuevo espacio de diseño para los ánodos de batería”, dijo Ajayan. “En lugar de cambiar la química, estamos cambiando la forma, y eso está demostrando ser igual de interesante”.
“No solo estamos desarrollando un mejor material de batería”, dijo Pramanik. “Estamos ofreciendo un camino real hacia el almacenamiento de energía que es más limpio, más barato y más ampliamente disponible para todos”.
Más información: Atin Pramanik et al, cono de grafito/anodes de disco como alternativa a los carbonos duros para baterías de iones Na/K, materiales funcionales avanzados (2025). Doi: 10.1002/adfm.202505848
Proporcionado por la Universidad de Rice
Cita: Una nueva forma para el almacenamiento de energía: las estructuras de carbono de cono y disco ofrecen nuevas vías para las baterías de iones de sodio (2025, 29 de abril) Consultado el 29 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-energy-stonce-disc-carbon.html
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