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(Foco Nanowerk) La transición a la energía solar y eólica renovable se enfrenta a un obstáculo clave debido a la falta de opciones asequibles de almacenamiento de energía a gran escala. Sin baterías de red de bajo costo, los problemas de fluctuación e intermitencia hacen que la adopción generalizada de la producción de energía sostenible sea poco práctica. Después de avances prometedores en la reducción de los costos de producción de componentes como paneles solares y turbinas eólicas, la tecnología de almacenamiento se ha convertido en el último obstáculo que queda por superar.
A pesar de la intensa investigación y desarrollo por parte de las principales empresas de baterías, las químicas predominantes de iones de litio luchan por lograr la combinación de precios bajos, seguridad, estabilidad y alto ciclo de vida requerido para esta aplicación. El potencial emergente de las baterías de iones de sodio ha revitalizado el esfuerzo, pero su éxito depende del desarrollo de electrodos adecuados sin materiales excesivamente raros o tóxicos.
En un artículo publicado en Materiales funcionales avanzados (“Materiales sostenibles derivados del té”), un equipo dirigido por el Dr. Aprovechando los avances recientes que han hecho de las baterías de iones de sodio una alternativa viable y rentable a la tecnología de iones de litio predominante, el ánodo derivado de biomasa de los investigadores exhibe propiedades que permiten que la próxima generación de almacenamiento de energía a escala de red sea asequible y sostenible.
Los intentos anteriores de crear baterías de iones de sodio lograron bajos costos, pero sufrieron demasiado en áreas de rendimiento como la capacidad de carga, la longevidad y las tasas de carga como para desplazar el predominio de las baterías de iones de litio. Gran parte de esto se debe a desafíos químicos fundamentales, ya que el mayor tamaño de los iones de sodio limita el movimiento rápido dentro de los componentes de la batería. El avance central del Dr. El ánodo de hojas de té de Zhang reside en la forma en que compensa estas limitaciones inherentes.
A través de un sencillo proceso de pirólisis de un solo paso, los investigadores convierten los tallos de las hojas de té crudas en un material de «carbono duro» optimizado para almacenar iones de sodio. En comparación con los ánodos a base de carbono existentes, el carbono duro derivado del té residual del equipo, llamado TS-1400-HCl, ofrece lecturas significativamente mejoradas en todos los ámbitos. Ofrece una capacidad inicial un 70 % mayor, una eficiencia un 91 % mayor en el primer ciclo de carga/descarga y una vida útil entre 7 y 9 veces mayor en 500 ciclos. Fundamentalmente, TS-1400-HCl logra este rendimiento innovador mediante un proceso industrial escalable que utiliza solo componentes básicos de bajo costo.
![Imagen HRTEM de TS-1400-HCl](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64544_1.jpg)
Los investigadores atribuyen las capacidades del TS-1400 HCl a las mejoras estructurales permitidas por los tallos de las hojas de té precursoras y el tratamiento estratégico con ácido. Su estructura de biomasa naturalmente porosa facilita la penetración de electrolitos al tiempo que mantiene numerosos defectos y huecos para la adsorción de iones de sodio. El lavado ácido elimina las impurezas que provocaban la pérdida de capacidad cuando estaba crudo. Este enfoque doble da como resultado un ánodo de carbono optimizado que ofrece mayores distancias entre capas similares al grafito, numerosos sitios de adsorción en micro y mesoporos y una excelente robustez estructural durante cargas repetidas.
A través del análisis espectroscópico, el Dr. El grupo de Zhang informó que el almacenamiento de iones de sodio del TS-1400 HCl se produce mediante un proceso de adsorción superficial que llena los poros y defectos, seguido de la intercalación entre capas de grafito más profundas en el electrodo principal. Aprovechando las fortalezas de la textura de carbono duro de la biomasa hecha a medida, este mecanismo dual aprovecha al máximo el material para garantizar una alta capacidad y eficiencia eléctrica.
Las pruebas de viabilidad en el mundo real de una celda tipo botón totalmente de iones de sodio respaldaron aún más la idoneidad del TS-1400 HCl como electrodo para la producción en masa. Sin siquiera pre-sodizar el ánodo para prepararlo para la estabilidad, el Dr. Hoja de té de Zhang llena de células con na3v2(CORREOS4)3 El cátodo aún logró una longevidad excepcional de más de 1000 ciclos y una densidad de energía competitiva con las baterías comerciales de iones de litio. Estas pruebas de disponibilidad sin preprocesamiento especial subrayan la viabilidad y rentabilidad del TS-1400-HCl.
Los investigadores estiman que el tratamiento ácido y el recocido de bajo costo para producir sus ánodos de carbono duro permitirían precios competitivos de alrededor de 5 a 7 dólares por kg a gran escala. Combinado con la abundancia de recursos de hojas de té crudas (sólo la producción anual de China supera los mil millones de kg), el Dr. El grupo de Zhang dice que su enfoque de biomasa tiene un gran potencial para una verdadera sostenibilidad y un impacto ambiental positivo como material de batería común y asequible.
Con la investigación en curso sobre materiales de cátodo complementarios centrada en maximizar el rendimiento en lugar de reducir costos, las baterías de iones de sodio con electrodos integrados como TS-1400-HCl pronto permitirán la adopción masiva de sistemas de distribución y almacenamiento de energía limpia a gran escala. La conversión de residuos en vatios acerca un paso más la introducción de baterías de red baratas, duraderas y respetuosas con el medio ambiente.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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