Científicos de Berkeley Lab confirman la teoría centenaria de las baterías de alto rendimiento

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Un estado novedoso del elemento manganeso, teorizado por primera vez en un artículo en una revista académica de lengua alemana hace más de 90 años, ha sido confirmado por un grupo de científicos en Estados Unidos. El descubrimiento podría conducir al desarrollo de baterías de alto rendimiento, basadas en tecnología de iones de sodio

Científicos de la empresa de tecnología con sede en California Natron Energy, anteriormente Alveo Energy, lideraron la investigación con contribuciones clave provenientes del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de Estados Unidos y la Universidad de Nueva York.

La investigación, publicada en la revista Nature Communications, se centra en un diseño no convencional para electrodos en una batería de iones de sodio, suministrada por Natron Energy. El ánodo de la batería está hecho de una mezcla de materiales, que incluyen manganeso, carbono y nitrógeno; mientras que el cátodo utiliza cobre, nitrógeno, carbono y hierro.

“La parte muy interesante aquí es que ambos electrodos se basan en la química de los metales de transición en el mismo tipo de materiales”, explica Wanli Yang, científico del equipo de Berkeley Lab. “Por lo general, en baterías de ion de litio y de iones de sodio, el ánodo suele estar basado en el carbono”.

En las pruebas, la batería pudo entregar el 90 % de su energía total en una descarga de cinco minutos y conservar el 95 % de su capacidad inicial después de 1.000 ciclos. Según el director general de Natron Energy, Colin Wessells, el costo total de la batería es competitivo con las baterías de plomo-ácido, con una huella ambiental muy reducida.

El rendimiento de la batería es posible gracias a un nuevo estado de manganeso recientemente descubierto en el ánodo. Este estado, donde el elemento pierde un solo electrón, se conoce como estado “1-plus” o “monovalente”. Aunque es inusual para los átomos de manganeso, la especulación de que podrían existir en este estado se remonta a la investigación publicada por primera vez en 1928.

Buscando confirmar su existencia, los científicos recurrieron a un sistema de nueva construcción en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio de Berkeley. El sistema, denominado “dispersión de rayos X inelástica resonante in situ” (RIXS), mostró de inmediato el contraste en el comportamiento del electrón durante los ciclos de carga y descarga.

“Un contraste muy claro aparece inmediatamente con RIXS”, dice Yang. “Más tarde nos dimos cuenta de que el manganeso 1-plus se comporta de manera muy muy similar al estado típico de más de 2 en otras espectroscopías convencionales”, razón por la cual había sido difícil de detectar durante tantas décadas.

“El análisis de los resultados de RIXS no solo confirma el estado de manganeso 1-plus; también muestra que las circunstancias especiales que dan lugar a este estado hacen que sea más fácil para los electrones viajar en el material “, agrega Andrew Wray de la Universidad de Nueva York. “Es probable que este electrodo de batería tan inusual funcione muy bien”.

Wessell, de Natron Energy, afirma que los prototipos comerciales de la batería ya están en fase de prueba, y que la compañía planea promover la tecnología para aplicaciones de almacenamiento, así como para energía de emergencia y para alimentar equipos pesados.

Yang, del laboratorio de Berkeley, afirma que este descubrimiento podría impulsar una mayor innovación en el campo de los materiales de los electrodos. “El funcionamiento de una batería podría impulsar la aparición de estados químicos atípicos que no existen en nuestro pensamiento convencional. Esta comprensión básica podría desencadenar otros diseños novedosos, y abrir nuestros ojos más allá de nuestra sabiduría convencional sobre los materiales de los electrodos”.