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Las baterías de iones de sodio y los supercondensadores se utilizan como alternativas a las baterías de iones de litio en muchas aplicaciones portátiles y de almacenamiento de energía a gran escala debido a su bajo costo y no toxicidad.
Estudio: Síntesis verde ultrarrápida asistida por microondas de nanocompuestos de NaFePO4-C para baterías de iones de sodio y supercondensadores. Crédito: Shoaib_Mughal/Shutterstock.com
En este contexto, se necesita un enfoque de procesamiento de bajo costo para mantener los precios lo más bajos posible, ya que el litio está siendo reemplazado por sodio principalmente por razones económicas.
Un estudio reciente publicado en la revista Scientific Reports aborda este problema mediante el uso de una técnica de síntesis ultrarrápida de carbono fosfato de hierro y sodio (NaFePO4-C) Nanocompuestos. Esta estrategia aprovecha la alta absorción de microondas de la concentración de carburo de silicio en la ceniza de paja de arroz.
Ilustración 1. Proceso de síntesis de fosfato de hierro y sodio por molienda de bolas y asistido por microondas y ensamblaje de baterías y supercondensadores asociados. © Wazeer, W. et al. (2022).
Baterías de iones de sodio y supercondensadores: descripción general e importancia
Los dispositivos de iones de litio se han infiltrado en muchas aplicaciones de almacenamiento de energía, como automóviles eléctricos, computadoras portátiles y teléfonos celulares, debido a las capacidades gravimétricas relativamente altas de las baterías de litio. Sin embargo, el litio es escaso y prohibitivamente caro, lo que obliga a buscar sustitutos adecuados.
Las baterías de iones de sodio y los supercondensadores son importantes tecnologías de almacenamiento recargables que funcionan de manera similar a las baterías de iones de litio, pero los iones de sodio (Na+) como portador de carga. Los principios funcionales y la estructura de las celdas de estas baterías son casi comparables a los de las baterías de iones de litio disponibles en el mercado.
Muchas propiedades del sodio son notablemente similares a las del litio, incluida su afinidad electrónica y su radio atómico. El sodio es mil veces más abundante que el litio y está disponible en un suministro casi ilimitado, con costos generales de extracción y purificación significativamente más bajos.
Las baterías de iones de sodio y los supercondensadores son más ecológicos, más seguros y tienen precios de materias primas más bajos que las baterías de iones de litio. Además, las baterías de iones de sodio y los supercondensadores prometen un alto rendimiento, capacidad teórica y velocidad de ciclo.
Figura 2 Espectros Raman para muestras de fosfato de hierro y sodio sintetizadas seguras para microondas. © Wazeer, W. et al. (2022).
Nanocompuestos para baterías de iones de sodio y supercondensadores
Se han identificado varios nanocompuestos como materiales de electrodos para baterías de iones de sodio y supercondensadores.
Los fosfatos de sodio y vanadio (NVP) se encuentran entre los materiales de electrodos más efectivos para baterías de iones de sodio y supercondensadores debido a su alta densidad de energía potencial de descarga. También ofrecen alta capacitancia debido a su estructura de iones de sodio superconductores.
Sin embargo, con este potencial, solo dos de los tres iones de sodio son accesibles desde las NVP, lo que da como resultado un rendimiento teórico limitado. Además, estos óxidos pueden resultar caros en comparación con otros nanocompuestos de sodio.
El óxido de hierro está disponible como materia prima a una décima parte del precio del óxido de vanadio; Por lo tanto, el fosfato de sodio y hierro se puede utilizar como un material de cátodo económico para supercondensadores y baterías de iones de sodio. La maricita y la olivina son formas cristalinas de fosfato de hierro y sodio que se han estudiado como materiales catódicos efectivos y económicos.
Aspectos destacados del estudio actual
Las tecnologías de estado sólido de microondas permiten la preparación rápida y económica de nanocompuestos de fosfato de metal alcalino. Aunque estos métodos se han utilizado de forma rutinaria para preparar nanocompuestos de fosfato de hierro de olivino-litio, rara vez se utilizan para preparar fosfatos de metales de transición de sodio.
En este estudio, los investigadores describieron una técnica de síntesis ultrarrápida que aprovecha la alta absorción de microondas del carburo de silicio en la ceniza de paja de arroz. Usando un proceso de calentamiento por microondas de un solo paso, las soluciones amorfas de nanocompuestos de carbono y fosfato de hierro y sodio (NaFePO4-C) fabricado, recocido y recubierto de carbono.
figura 3 (a–es decir) Imágenes SEM a 10 000 × para Fe(30), Fe(60), Fe(80) y Fe(100), respectivamente. (mi) Imagen TEM de bajo aumento que muestra la composición del carbono con NaFePO4 partícula, (F) Imagen TEM muy ampliada e imagen SAED para NaFePO4 Trabajo, (GRAMO) Imágenes FFT y perfil IFFT de Fe(60) para áreas seleccionadas a lo largo del plano (240) y (H,yo) Mapa de elementos que muestra la distribución de C, O, Na, Fe y P en la partícula seleccionada. © Wazeer, W. et al. (2022).
Los compuestos electrocatalizadores de iones de sodio se prepararon con tiempos de calentamiento por microondas que oscilaban entre 30 y 100 segundos.
Se utilizaron métodos analíticos elementales, difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido y transmisión (SEM, TEM) y espectroscopía Raman para analizar los nanocompuestos. También se investigó la actividad electrocatalítica de los nanocompuestos fabricados como cátodos para baterías de iones de sodio y supercondensadores simétricos.
Avances clave en la investigación
La ceniza de paja de arroz egipcio se utilizó como absorbente de microondas para facilitar la producción en un tiempo relativamente corto y a un costo razonable. Este calentamiento rápido asistido por microondas en condiciones ligeramente reductoras eliminó la necesidad de gas argón en las etapas de síntesis, precipitación y recubrimiento de carbono.
Además, este proceso es adaptable, permite el uso de una amplia gama de fuentes de sodio, hierro, fosfato y carbono y optimiza la capacidad de almacenamiento, la estabilidad y el rendimiento cíclico de las baterías de iones de sodio.
La desventaja de este método es que los nanocompuestos producidos son irregulares y no uniformes en forma y tamaño. El microondas produce polimorfos con diminutos tamaños de cristalitos. La formación de cristales no se puede completar debido al calentamiento rápido y solo se pueden formar nanocompuestos con un tamaño de partícula de 10 a 15 nm, como se muestra en TEM.
Sin embargo, los nanocompuestos se agregan y producen granos más grandes con un tamaño promedio de alrededor de 300 nanómetros, lo que limita la difusividad de los iones de sodio. Como resultado, los nanocompuestos preparados mostraron un excelente comportamiento electrocatalítico como cátodos para baterías de iones de sodio y supercondensadores.
Relación
Wazeer, W. et al. (2022). Síntesis verde ultrarrápida asistida por microondas de NaFePO4-Nanocompuestos de C para baterías de iones de sodio y supercondensadores. Informes científicos. Disponible en: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20329-x
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