Las fallas de apilamiento en β-Namno2 reducen severamente su capacidad durante los ciclos de carga/descarga. El dopaje de cobre elimina efectivamente las fallas de apilamiento, mejorando significativamente la estabilidad del ciclo, lo que permite el desarrollo de baterías de iones de sodio de larga duración. Crédito: Profesor Shinichi Komaba, Universidad de Ciencias de Tokio, Japón
Las baterías de sodio (NA) -on han surgido recientemente como alternativas rentables y sostenibles a las baterías de litio (LI) -ion. Na, el sexto elemento más abundante en la Tierra, ofrece costos de material más bajos y mayor disponibilidad en comparación con las baterías de iones de litio.
El diseño de materiales de cátodo juega un papel clave en la determinación de la duración de la batería y la estabilidad. El óxido de manganeso de sodio en capas (NAMNO2) ha recibido una mayor atención de los investigadores para su uso como material de cátodo en baterías de iones de Na.
NAMNO2 existe en dos formas de cristal: α-Namno2 y β-NAMNO2. La fase α presenta una estructura monoclínica en capas, donde las capas planas de MnO2, que consisten en octaedros MNO6 distorsionados de intercambio de bordes, se apilan alternativamente con iones de Na en el medio.
β-Namno2, por otro lado, presenta capas corrugadas o en zig-zag de octaedra MNO6 distorsionado de bordes, también con iones de Na en el medio. La síntesis de β-NAMNO2 generalmente requiere temperaturas más altas, lo que a menudo conduce a fases deficientes en NA.
Los intentos de prevenir las fases deficientes en NA producen fases β de no equilibrio que exhiben varios defectos. Las más notables entre ellas son las fallas de apilamiento (SFS), formadas por el deslizamiento del plano Crystalográfico BC, generando secuencias de apilamiento que se asemejan a la fase α.
Los electrodos hechos de β-NAMNO2 que contienen SF sufren una reducción de capacidad grave durante los ciclos de carga/descarga, lo que limita sus aplicaciones prácticas. Además, SFS complica la comprensión de la química de estado sólido del material.
En un nuevo estudio, un equipo de investigación dirigido por el profesor Shinichi Komaba del Departamento de Química Aplicada en la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, investigó cómo el dopaje de cobre (Cu) puede estabilizar SFS en β-NAMNO2.
“En un estudio anterior, encontramos que entre los dopantes metálicos, Cu es el único dopante que puede estabilizar con éxito β-Namno2”, explica el profesor Komaba.
“En este estudio, exploramos sistemáticamente cómo el dopaje de Cu puede suprimir SF y mejorar el rendimiento electroquímico de los electrodos β-Namno2 en baterías de iones de Na”.
El equipo también incluyó al Sr. Syuhei Sato, al Sr. Yusuke Mira y al Dr. Shinichi Kumakura del Instituto de Investigación de Ciencia y Tecnología, TUS. Sus hallazgos fueron publicados en línea en la revista Materiales avanzados.
El equipo sintetizó una serie de muestras de β -NAMNO2 altamente cristalinas, dopadas con Cu (NAMN1 -XCUXO2) con cantidades variables de Cu, denotadas como NMCO -00, -05, -10, -12 y -15, correspondientes a los niveles de Doping de Cu de 0% a 15%.
La muestra NMCO-00 sirvió como referencia sin dopar. A través de estudios de difracción de rayos X (DRD), el equipo encontró que entre las muestras dopadas con Cu, NMCO-05 exhibió la concentración de SF más alta al 4,4%, mientras que en NMCO-12, la concentración de SF fue solo del 0,3%, lo que indica una supresión clara de SFS con un mayor dopaje de Cu.
La evaluación electroquímica de electrodos hechos de las muestras de NMCO en las medias células NA reveló una retención de capacidad significativamente mejorada en muestras dopadas con Cu. Mientras que la muestra no dopada mostró una pérdida rápida de capacidad dentro de los 30 ciclos, las muestras NMCO-12 y -15 sin SF demostraron una excelente estabilidad del ciclo, con el NMCO-12 no exhibió una pérdida de capacidad para más de 150 ciclos.
Estos resultados sugieren que la fase β de NAMNO2 en capas es inherentemente estable cuando se eliminan los SF.
Es importante destacar que la estructura libre de SF permitió a los investigadores examinar las transiciones de fase complejas que ocurren durante la inserción y extracción de NA en estos materiales.
Utilizando una combinación de mediciones de XRD in situ y ex situ, y los cálculos de la teoría funcional de densidad, los investigadores propusieron un nuevo modelo estructural que implica un deslizamiento drástico de las capas MNO2 corrugadas.
Este deslizamiento parece ser exclusivo de la fase β y previamente se oscureció por la presencia de SFS, marcando un avance importante en la comprensión de los cambios estructurales característicos de la fase β de Namno2 durante las reacciones de los electrodos.
“Nuestros hallazgos confirman que los óxidos a base de manganeso son una solución prometedora y sostenible para desarrollar baterías de iones de NA altamente duraderas”, señala el profesor Komaba.
“Debido al costo relativamente bajo de manganeso y NA, esta investigación conducirá a soluciones de almacenamiento de energía más asequibles para una variedad de aplicaciones, incluidos teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos, que finalmente conduce a un futuro más sostenible”.
Este estudio también demuestra que la estabilización de SF utilizando el dopaje de Cu podría resolver las vulnerabilidades de la cadena de suministro que comúnmente se enfrentan con metales como el litio. Además, el estudio tiene implicaciones potenciales en el almacenamiento de la red, vehículos eléctricos y electrónica de consumo.
El estudio ofrece ideas valiosas para desarrollar baterías de iones de NA más estables y duraderas, lo que lleva a una adopción de energía renovable más amplia, alineándose con el Objetivo de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas 7: Energía Asequible y Limpia.
Más información: Shinichi Kumakura et al, Síntesis y electroquímica del apilamiento de fallas β -namno2, materiales avanzados (2025). Dos: 10.1002/ADMA.202507011
Proporcionado por la Universidad de Ciencias de Tokio
Cita: los científicos descubren las baterías de iones de sodio estables, de alto rendimiento y de larga vida (2025, 16 de julio) Recuperado el 16 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-scientists-cover-skey-stable-high.html
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