Acoblant la línia de llum MIRAS a una cel·la electroquímica adaptada, l'equip va descobrir diferents vies de reacció per al liti i el sodi en elèctrodes de poliimida, proporcionant nous detalls dels seus mecanismes redox.

La transició cap a sistemes d'energia sostenibles necessita bateries més segures, de menor cost i més respectuoses amb el medi ambient. Els materials orgànics per a elèctrodes, compostos d'elements lleugers i abundants, són prometedors ja que poden operar amb diferents portadors de càrrega, com el liti, el sodi, el magnesi o el calci. Tot i això, comprendre com aquests materials emmagatzemen i alliberen càrrega, especialment durant el funcionament de les bateries, segueix sent un desafiament científic.

Un equip de l'ICMAB-CSIC i la línia de llum MIRAS al Sincrotró ALBA, amb contribucions de l'IMDEA Energia i POLYMAT (Universitat del País Basc), ha realitzat microespectroscòpia d'infraroig per transformada de Fourier basada en sincrotró (SR-μFTIR) a MIRAS. Gràcies a la brillantor excepcional i la coherència espacial de la llum de sincrotró van aconseguir una resolució a escala micromètrica i temps d'adquisició de subsegons mantenint altes ràtios de senyal-soroll.

En modificar lleugerament una cel·la electroquímica comercial amb una finestra de silici compatible amb la llum de sincrotró, l'equip va aconseguir monitoritzar en temps real l'evolució química dels elèctrodes de poliimida durant el cicle de la bateria en condicions de funcionament reals.

La poliimida emmagatzema energia gràcies a uns grups químics específics anomenats 'grups carbonil', que poden guanyar i perdre electrons de forma reversible durant el funcionament de la bateria.

En descarregar-se la bateria, els senyals associats als grups carbonil originals van disminuir i van aparèixer nous senyals. Aquests canvis van revelar que els grups carbonil s'estaven transformant (un procés conegut com a enolació) i interactuaven amb els ions metàl·lics de l'electròlit, cosa que va donar lloc a la formació d'espècies de metall-enolat.

En combinar la tècnica de sincrotró SR-μFTIR amb càlculs de la teoria funcional de la densitat (DFT), van descobrir una diferència important entre el comportament del liti i del sodi. A les cel·les de liti, el procés d'inserció va ser molt concertat i cooperatiu, amb la reducció gairebé simultània dels grups carbonil veïns. A les cel·les de sodi, la reacció es va desenvolupar de forma gradual, cosa que es va reflectir en dues bandes infraroges diferents i plans de voltatge correlacionats.

Aquest estudi proporciona la primera evidència espectroscòpica directa que vincula el comportament redox seqüencial del sodi a causa de la seva cooperativitat d'enllaç més feble en comparació amb el liti en elèctrodes de poliimida, tal com el recolzen els càlculs DFT.

Comprendre aquestes diferències subtils és crucial per millorar les bateries d'ions de sodi. El sodi és molt més abundant i més barat que el liti, el que ho fa molt atractiu per a l'emmagatzematge d'energia a gran escala. En conèixer amb exactitud el seu comportament dins dels elèctrodes orgànics, es poden dissenyar millors materials i optimitzar el rendiment de les bateries.

La microespectroscòpia d'infraroig basada en sincrotró sorgeix com una eina potent i no invasiva per accelerar el desenvolupament de tecnologies d'emmagatzematge d'energia més segures i sostenibles, destacant-ne les capacitats de la línia de llum MIRAS i l'experiència de l'ICMAB-CSIC, i reforçant el paper d'ALBA com a infraestructura clau per a la recerca d'avantguarda en bateries.