La creciente demanda de baterías que ofrezcan carga ultrarrápida y alta densidad energética está impulsando avances significativos en la tecnología de almacenamiento de energía. Un equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) y el Instituto de Investigación de Energía de Corea (KIER) ha desarrollado un nuevo material para ánodos que podría satisfacer estas necesidades críticas. Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista ACS Nano.
Innovaciones en materiales para baterías
El grafito, que es el material más comúnmente utilizado en los ánodos de las baterías de iones de litio (LIB), presenta ciertas limitaciones debido a su baja capacidad teórica y a las lentas tasas de carga y descarga. Para superar estos obstáculos, los investigadores han propuesto un diseño de electrodo innovador que combina carbono duro con estaño (Sn).
El carbono duro es un material desordenado que contiene una abundancia de microporos y vías, lo que facilita la rápida difusión de iones de litio y sodio. Esta estructura permite tanto un alto almacenamiento de energía como una robustez mecánica, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones que requieren alta tasa de carga y larga vida útil.
Sin embargo, la incorporación de estaño planteó un nuevo desafío. Cuanto más pequeños son las partículas de estaño, más eficazmente se reduce la problemática expansión de volumen durante el ciclo de carga y descarga, lo que mejora la estabilidad general del material. No obstante, el bajo punto de fusión del estaño (aproximadamente 230 °C) dificulta la síntesis de partículas tan finas. El equipo de investigación abordó este problema mediante un proceso de sol-gel seguido de reducción térmica, logrando insertar nanopartículas de estaño de menos de 10 nm de manera uniforme dentro de la matriz de carbono duro.
La estructura compuesta resultante exhibe una sinergia funcional más allá de una simple mezcla física. Las nanopartículas de estaño no solo actúan como materiales activos, sino que también funcionan como catalizadores que promueven la cristalización del carbono duro circundante. Durante el ciclo electroquímico, la formación reversible de enlaces Sn–O contribuye al aumento de la capacidad de la batería a través de reacciones de conversión.
El electrodo diseñado ha mostrado un rendimiento excepcional en celdas de iones de litio, manteniendo una operación estable durante 1,500 ciclos bajo condiciones de carga rápida de 20 minutos, y logrando una densidad energética volumétrica 1.5 veces mayor en comparación con los ánodos de grafito convencionales. Este logro representa una integración exitosa de alta potencia, alta energía y larga vida de ciclo en un solo electrodo.
De manera notable, el electrodo también presenta un rendimiento sobresaliente en baterías de iones de sodio (SIB). Los iones de sodio, en general, muestran una reactividad deficiente con materiales anódicos convencionales como el grafito o el silicio. Sin embargo, la estructura nano-compuesta de carbono duro y estaño mantiene una estabilidad excelente y una cinética rápida en entornos de sodio, subrayando su versatilidad en múltiples plataformas de baterías.
El profesor Soojin Park de POSTECH afirmó: «Esta investigación representa un nuevo hito en el desarrollo de baterías de alto rendimiento de próxima generación y promete aplicaciones en vehículos eléctricos, sistemas híbridos y almacenamiento de energía a gran escala». Por su parte, el Dr. Gyujin Song de KIER añadió: «La realización de un ánodo con alta potencia, estabilidad y densidad energética, además de su compatibilidad con sistemas de iones de sodio, marca un punto de inflexión en el mercado de baterías recargables».
Este trabajo fue realizado por el profesor Soojin Park, el Dr. Sungho Choi y el Dr. Dong-Yeob Han en POSTECH, en colaboración con el Dr. Gyujin Song en KIER.
