Construir bateries més econòmiques i sostenibles és només la meitat del repte; aconseguir que resisteixin centenars de cicles de càrrega i descàrrega és igual d’important. Un equip d’investigadors d’Espanya i França, liderat per CIC energiGUNE, ha abordat aquest problema en les bateries d’ions de sodi millorant el blanc de Prússia, un material fàcil de sintetitzar i respectuós amb el medi ambient. Mitjançant l’ús del Sincrotró ALBA, han descobert com una simple modificació química pot prolongar dràsticament la vida útil de les bateries.

Perquè les bateries d’ions de sodi puguin competir amb la tecnologia d’ions de liti —la tecnologia predominant en l’actualitat—, es necessiten materials de càtode altament rendibles i més sostenibles. Els materials de blanc de Prússia que contenen manganès (Mn) són especialment prometedors perquè el seu rendiment és comparable al de les bateries de liti. El seu taló d'Aquil·les, però, és la baixa durabilitat a llarg termini. Durant la càrrega, el Mn s’oxida, fet que provoca una distorsió estructural local. Aquesta distorsió causa grans canvis de volum que deriven en una degradació estructural severa i una pèrdua ràpida de capacitat.

L’equip de recerca va plantejar la hipòtesi que la substitució parcial del Mn per ferro (Fe) podria estabilitzar el material al llarg del temps. Els resultats van ser sorprenents: el material modificat va conservar el 93% de la seva capacitat de càrrega original després de 50 cicles, en comparació amb només el 62% de la versió inalterada. Però el veritable avenç va ser entendre’n el motiu.

Els investigadors van descobrir que afegir Fe no elimina la pertorbació local de l’estructura, sinó que redueix els seus efectes perjudicials sobre l’estructura global. De fet, tot i que la distorsió atòmica local continua produint-se, el que canvia és el seu impacte estructural general: en substituir part del Mn per Fe, el nombre de llocs susceptibles de patir distorsions es redueix aproximadament a la meitat. Això impedeix que les distorsions locals es propaguin i s’acumulin formant una estructura molt tensionada del material que podria danyar el càtode quan la bateria es carrega a nivells elevats. El resultat és una estructura molt més estable que resisteix millor els cicles repetits de càrrega.

Per descobrir-ne la causa subjacent, els investigadors van examinar els elèctrodes de la bateria en diferents etapes de càrrega utilitzant dues tècniques complementàries a la línia de llum NOTOS del Sincrotró ALBA. La clau és que cada tècnica “observa” el material a una escala diferent. L’espectroscòpia d’absorció de raigs X (XAS) permet fer “zoom” fins a l’entorn atòmic local al voltant d’àtoms individuals en una escala inferior a un nanòmetre. A aquest nivell de detall, la tècnica va confirmar que es continua produint una forta distorsió local en el material parcialment substituït amb Fe. Per contra, la difracció de raigs X (XRD) ofereix una visió més àmplia de l’estructura ordenada i repetitiva del material, que s’estén fins a l’escala dels micròmetres. A aquesta escala, els resultats van mostrar que el material original, sense substituir, experimentava canvis massius de volum que comprometien la seva estructura, mentre que la versió substituïda amb Fe només patia lleugeres modificacions.

La rellevància d’aquest estudi rau en el fet d’haver connectat aquestes dues escales a través de tècniques complementàries, demostrant que una distorsió atòmica local no necessàriament ha de comprometre l’estructura global del material.

Aquest descobriment representa un canvi de paradigma en la manera d’entendre la degradació de les bateries, i és el resultat de la col·laboració entre CIC energiGUNE, la Universitat del País Basc (UPV/EHU), l'Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM), l'ALISTORE-European Research Institute, la RS2E i el Sincrotró ALBA.

Comprendre la delicada interacció entre l’estructura atòmica i el rendiment electroquímic és fonamental per escalar aquests materials sostenibles i acostar les bateries d’ions de sodi a la realitat comercial.

La combinació de dades de XAS (XANES i EXAFS) i XRD permet relacionar el perfil electroquímic amb les evolucions estructurals locals i de llarg abast, així com amb les reaccions redox, fet que pot explicar les diferències en el perfil de cicles de càrrega i en l’estabilitat entre els materials sense substitució i els parcialment substituïts.