Rendimiento mejorado de las baterías de iones de sodio mediante la sustitución de titanio

Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han logrado avances significativos en la tecnología de baterías de iones de sodio (SIB) mediante la mejora del rendimiento de ciclo del cátodo NaNiO₂. Han sintetizado con éxito, por primera vez, el material de cátodo activo NaNi_0.9Ti_0.1O₂, que ofrece una capacidad específica de 190 mAh/g, lo que lo posiciona como un candidato potencial para su aplicación en SIB de alta densidad de energía. Este enfoque innovador no solo mejora la estabilidad de la batería, sino que también nos impulsa hacia soluciones avanzadas de almacenamiento de energía más allá.

Con su alta capacidad específica teórica, NaNiO₂ (NNO) muestra un gran potencial como material de batería de iones de sodio de tipo O3 para aplicaciones de almacenamiento de energía más allá del litio. Sin embargo, los intercambios de los grandes iones Na⁺ pueden causar un deslizamiento severo de las capas y cambios de volumen, reduciendo el rendimiento del ciclo. Además, la distorsión de Jahn-Teller inducida por Ni³⁺, una disposición desigual de los electrones alrededor de los orbitales del ion, afecta negativamente la ciclabilidad a largo plazo. Abordar estos problemas puede mejorar significativamente la aplicación práctica de NNO en el futuro cercano.

La solución: Un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) introdujo con éxito 10 mol% de Ti⁴⁺ en el sitio de Ni de NNO. Esto ayuda a mantener una distancia interlaminar más grande en las fases deficientes en Na y a mitigar la actividad de Jahn-Teller al reducir el estado de oxidación promedio de Ni.

El futuro：Aunque NaNi_0.9Ti_0.1O₂ (NNTO) muestra mejoras significativas en el rendimiento del ciclo en comparación con NNO, todavía enfrenta problemas de grandes variaciones de volumen durante el funcionamiento de la batería y pérdida irreversible de oxígeno de la red a altos potenciales. Estos problemas conducen a inestabilidad estructural y decaimiento de la capacidad. Para abordar la degradación / falla electro-quimo-mecánica, se pueden introducir dopantes en los sitios de Na y / o metales de transición de NNTO.

El impacto：Al combinar técnicas de caracterización física y electroquímica, se obtienen conocimientos sobre las posibles razones detrás del desvanecimiento de la capacidad de NNTO, ofreciendo nuevas vías para adaptar este prometedor material de cátodo activo. Se espera que los hallazgos tengan amplias implicaciones para la batería de iones de sodio al proporcionar un nuevo material para aplicaciones de almacenamiento de energía electroquímica de alta densidad de energía.

Este trabajo se ha publicado recientemente en la edición en línea de Materials Futures, una destacada revista internacional en el campo de la investigación interdisciplinaria en ciencia de materiales.

Referencia
Siyu An, Leonhard Karger, Sören L. Dreyer, Yang Hu, Eduardo Barbosa, Ruizhuo Zhang, Jing Lin, Maximilian Fichtner,  Aleksandr Kondrakov, Jürgen Janek y Torsten Brezesinski, “Improving Cycling Performance of the NaNiO₂ Cathode in Sodium-Ion Batteries by Titanium Substitution” 2024, DOI: 10.1088/2752-5724/ad5faa.