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Cerdanyola del Vallès, 25 de mayo de 2022. La energía solar y eólica son recursos útiles para la generación de energía, pero son intermitentes (durante la noche o en días nublados los paneles solares no funcionan, por ejemplo.) Las tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica son una solución clave a estos problemas de intermitencia y se pueden integrar con formas renovables de generación de energía. Dentro de este tipo de tecnologías, las baterías de sodio sulfuro (Na-S) de temperatura ambiente se consideran uno de los candidatos más prometedores debido a su alta densidad de energía teórica – la cantidad de energía que pueden almacenar – y su bajo coste. No obstante, este sistema de batería sufre de una baja velocidad de reacción a temperatura ambiente, hecho que limita radicalmente el desempeño de la batería y, en la práctica, dificulta su comercialización.
Una estrategia eficiente para lidiar con este desafío es el uso de carbono poroso como portador para encapsular sulfuro molecular, mejorando de forma significativa su conductividad. Este sistema actúa como cátodo de la batería, que es el electrodo donde tiene lugar la reacción de reducción. Para que la batería funcione, los iones de sodio deben migrar del ánodo hacia el cátodo. Sin embargo, en estos sistemas es un desafío proporcionar iones de sodio totalmente accesibles que no obstruyan los poros subnanométricos del portador de carbono.
En una publicación en la revista científica Advanced Materials, un equipo de investigación internacional formado por instituciones australianas y chinas en colaboración con el Sincrotrón ALBA describe la síntesis de nanoesferas de carbono micro-mesoporosas (MMPCS, por sus siglas en inglés) y las presenta como eficientes portadores de sulfuro para baterías de sodio-sulfuro. Debido a que presentan una distribución continua de los poros, se crean canales continuos que permiten el movimiento de los iones de sodio sin que los canales se obstruyan. Esto permite una alta conductividad, lo que lleva a una rápida reacción de reducción-oxidación del sulfuro durante el proceso de carga/descarga.
Este trabajo arroja luz sobre el progreso del cátodo de sulfuro en baterías de sodio-sulfuro a temperatura ambiente y proporciona una estrategia prometedora para el diseño viable de otras baterías de tipo metal-sulfuro, en especial, baterías de litio-sulfuro y de potasio-sulfuro.
El equipo sintetizó tres muestras diferentes de las esferas de carbono porosas y llevó a cabo diversos experimentos para analizar y comparar las características y comportamiento de cada muestra. En concreto, determinaron la especiación del sulfur mediante espectroscopia de absorción de rayos X (XAS, por sus siglas en inglés) del vértice-K del sufuro en la línea de luz CLAESS del Sincrotrón ALBA. Estos experimentos, junto con datos de difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en inglés) recogidos en el Sincrotrón Australiano y cálculos de Transformada de Fourier discreta (DFT, por sus siglas en inglés) probaron la existencia de una interfase estable de sulfuro en las esferas de carbono porosas sintetizadas a 800ºC y que ésta juega un papel importante en mejorar la ratio de difusión del ion sodio y en la estabilidad de los ciclos.
Este trabajo es una colaboración entre la Universidad de Ciencia y Tecnología de Kunming (China), la Universidad de Wollongong (Australia), el Sincrotrón ALBA, la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia), la Universidad de Tecnología de Sídney (Australia), el Sincrotrón Australiano y la Universidad de Wenzhou (China).
Figure. (a) Serie the espectros XANES para el vértice K obtenidos de un electrodo MMPCS-800@S durante el primer ciclo de sodiación/desodiación y el segundo ciclo de sodiación. (b) Espectro de absorción de rayos X de sulfuro en varios estados durante la primera carga/descarga. (c) Imagen 2D XAS de diferentes especies iniciales de sulfuro, intermediarios y productos finales. (d) Los cambios de intesidad del sulfuro, Na2Sx (x = 4,6), y Na2S a partir de medidas XAS in situ que corresponden a las curvas de carga/descarga. (e) Ilustración esquemática de la capa de Na2S formada después del proceso de descarga.
Referencia: Can Wu, Yaojie Lei, Laura Simonelli, Dino Tonti, Ashley Black, Xinxin Lu, Wei-Hong Lai, Xiaolan Cai, Yun-Xiao Wang, Qinfen Gu, Shu-Lei Chou,* Hua-Kun Liu, Guoxiu Wang, and Shi-Xue Dou. Continuous Carbon Channels Enable Full Na-Ion Accessibility for Superior Room-Temperature Na–S Batteries. Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202108363
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-20-15798.
