Desarrollo de electrodos a base de "Hard Carbon" a partir de materiales no deseables para baterías de iones de sodio - Sánchez Lezcano, Mabony Lisseth, (Universidad Tecnológica de Panamá, 2024)
El desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía sostenible ha desencadenado el estudio de baterías iones de sodio como alternativa a las baterías de iones de litio, debido a la disponibilidad de sodio en la naturaleza. Las baterías podrían aumentar su carácter sostenible si los electrodos están hechos de materiales no tóxicos y abundantes, p.ej. fuentes naturales de biomasa. En el presente trabajo, para producir baterías de iones de sodio (SIB), se prepararon materiales de ánodo de hard carbon (HC) respetuosos con el medio ambiente, provenientes de materia orgánica y residuos biológicos. Al seleccionar el material orgánico a utilizar, se tuvo en cuenta su estructura, eficiencia y porosidad; además, la biomasa rica en glucosa es un factor clave para obtener un producto con características de HC. Se sintetizaron dichos carbones amorfos de Paja canalera (PCT), Fibra de coco (CF), cáscara de naranja (CN) y cáscara de plátano (CP) usando un sistema de plasma pirolisis por microondas (PPM) diseñado y construido en la Universidad Tecnológica de Panamá. Este material HC se utiliza para hacer comparaciones de rendimiento cuando se usa como material activo de ánodos de baterías de iones de sodio. Los resultados se correlacionaron con la estructura y composición de los materiales carbonosos de carácter amorfo y se caracterizaron por microscopía de barrido electrónico (SEM), difracción de rayos X (XRD), y espectroscopía Raman. La porosidad, el grado de grafitización, la concentración de defectos y el espaciado interlaminar de los materiales se han encontrado como algunos de los parámetros más importantes a considerar para la presente aplicación, puesto que, los iones de sodio al ser dimensionalmente superiores en tamaño a los iones de litio requieren un espaciado interlaminar superior a los 3.35 Á (espaciado interlaminar del grafito cristalino altamente ordenado) para que se favorezca la intercalación de dichos iones. Las muestras en estudio poseen espaciado interlaminar de 3.5 Á para CN, 3.6 Á para CP, 3.7 Á para FC y 4.0 Á para PCT. Para este tipo de carbones se obtienen coeficientes de grado de grafitización con valores pequeños entre 0.22 y 0.38, alta concentración de defectos entre los 0.62 y 0.78; de manera que es posible obtener HC a partir de biomasa, compatibles con el requerimiento para aplicaciones de baterías de iones de sodio. Las muestras en estudio se someten a técnicas de caracterización electroquímicas como la espectroscopía de impedancia electroquímica para investigar las propiedades de los materiales y reacciones en los electrodos, y voltamperometría cíclica para obtener información del comportamiento de la celda, y tipo de almacenamiento de carga. Del análisis electroquímico se obtienen las medias celdas con mejores características CP y PCT con densidades de energía de 94,5 y 110,6 Wh/kg respectivamente. Se destaca que los valores de densidad de energía experimentales se encuentran dentro de los valores esperados, cuentan con eficiencia del 90% CP y 70% PCT, para ambas muestras se obtienen estabilidad en el ciclado, constante y aún posterior a los 50 ciclos. El almacenamiento de carga es en todos los casos predominantes difusivo, comportamiento esperado para dispositivos tipo batería. El presente trabajo abre el paraguas para futuras investigaciones de baterías de iones Na+ completas como dispositivos alternativos de almacenamiento energético, competitivos y eficientes.