Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) de Alemania están investigando las características de los materiales que determinan la rapidez con la que se puede cargar una batería mediante simulaciones asistidas por ordenador.
Los modelos de microestructura simulados contribuyen al descubrimiento y estudio de nuevos materiales de electrodos. En el caso del óxido de sodio-níquel-manganeso como material catódico en las baterías de iones de sodio, las simulaciones muestran cambios en la estructura cristalina durante el proceso de carga que conducen a una deformación elástica, lo que reduce su capacidad de almacenamiento. La investigación ha sido publicada en la revista científica npj Computational Materials.
Baterías de iones de sodio
Las baterías de iones de sodio se consideran prometedoras ya que pueden producirse a partir de materias primas que están suficientemente disponibles en Europa, y son adecuadas para aplicaciones fijas y móviles.
Los óxidos en capas, como los óxidos de sodio-níquel-manganeso, tienen potencial como materiales para el cátodo, según señalan los expertos de KIT. Sin embargo, los óxidos de sodio-níquel y manganeso cambian su estructura cristalina dependiendo de la cantidad de sodio que se almacene en un momento dado, lo que conduce a tensiones mecánicas que pueden dañar permanentemente el material.
Simulaciones de las estructuras de las baterías
Los modelos informáticos que han llevado a cabo los expertos pueden describir diferentes escalas de longitud, desde la disposición de los átomos en los materiales de los electrodos hasta su microestructura y la celda como unidad funcional de cada batería. Los investigadores combinaron modelos de microestructura con experimentos de carga y descarga lenta para investigar el óxido en capas NaXNi1/3Mn2/3O2, un material que presenta varios mecanismos de degradación que conducen a la pérdida de capacidad de almacenamiento, por lo que aún no es adecuado para aplicaciones comerciales.
Los investigadores encontraron que, cuando la estructura cristalina cambia, se produce una deformación elástica. El cristal se encoge, lo que puede causar grietas y reducir la capacidad disponible. Como demostraron las simulaciones realizadas, esta influencia mecánica es tan fuerte que tiene una influencia significativa en la rapidez con la que se puede cargar el material.
Los hallazgos obtenidos en el estudio pueden transferirse parcialmente a otros óxidos estratificados, impulsando el desarrollo de materiales para baterías que sean duraderas y se puedan cargar lo más rápido posible. Esto podría hacer que el uso a gran escala de las baterías de iones de sodio sea posible en un periodo de cinco a diez años, según los expertos.