Acoplando la línea de luz MIRAS a una celda electroquímica adaptada, el equipo descubrió distintas vías de reacción para el litio y el sodio en electrodos de poliimida, proporcionando una visión sin precedentes de sus mecanismos redox.

La transición hacia sistemas de energía sostenibles necesita baterías más segura, de menor coste y más respetuosas con el medio ambiente. Los materiales orgánicos para electrodos, compuestos de elementos ligeros y abundantes, son prometedores, ya que pueden operar con diferentes portadores de carga, como el litio, el sodio, el magnesio o el calcio. Sin embargo, comprender cómo estos materiales almacenan y liberan carga, especialmente durante el funcionamiento de las baterías, sigue siendo un desafío científico.

Un equipo del ICMAB-CSIC y la línea de luz MIRAS en el Sincrotrón ALBA, con contribuciones de IMDEA Energía y POLYMAT (Universidad del País Vasco), ha realizado microespectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier basada en sincrotrón (SR-μFTIR) en MIRAS. Gracias al brillo excepcional y la coherencia espacial de la luz de sincrotrón lograron una resolución a escala micrométrica y tiempos de adquisición de subsegundos manteniendo altas ratios de señal-ruido.

Al modificar ligeramente una celda electroquímica comercial con una ventana de silicio compatible con la luz de sincrotrón, el equipo logró monitorizar en tiempo real la evolución química de electrodos de poliimida durante el ciclo de la batería bajo condiciones de funcionamiento reales.

La poliimida almacena energía gracias a grupos químicos específicos llamados 'grupos carbonilo', que pueden ganar y perder electrones de forma reversible durante el funcionamiento de la batería.

Al descargarse la batería, las señales asociadas a los grupos carbonilo originales disminuyeron y aparecieron nuevas señales. Estos cambios revelaron que los grupos carbonilo se estaban transformando (un proceso conocido como enolación) e interactuaban con los iones metálicos del electrolito, lo que dio lugar a la formación de especies de metal-enolato.

Al combinar la técnica de sincrotrón SR-μFTIR con cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), descubrieron una diferencia importante entre el comportamiento del litio y del sodio. En las celdas de litio, el proceso de inserción fue en gran medida concertado y cooperativo, con la reducción casi simultánea de los grupos carbonilo vecinos. En las celdas de sodio, la reacción se desarrolló de forma gradual, lo que se reflejó en dos bandas infrarrojas distintas y planos de voltaje correlacionados.

Este estudio proporciona la primera evidencia espectroscópica directa que vincula el comportamiento redox secuencial del sodio debido a su cooperatividad de enlace más débil en comparación con el litio en electrodos de poliimida, tal y como lo respaldan los cálculos DFT.

Comprender estas diferencias sutiles es crucial para mejorar las baterías de iones de sodio. El sodio es mucho más abundante y más barato que el litio, lo que lo hace muy atractivo para el almacenamiento de energía a gran escala. Al conocer con exactitud su comportamiento dentro de los electrodos orgánicos, se pueden diseñar mejores materiales y optimizar el rendimiento de las baterías.

La microespectroscopia de infrarrojo basada en sincrotrón surge como una herramienta potente y no invasiva para acelerar el desarrollo de tecnologías de almacenamiento de energía más seguras y sostenibles, destacando las capacidades de la línea de luz MIRAS y la experiencia del ICMAB-CSIC, y reforzando el papel de ALBA como infraestructura clave para la investigación de vanguardia en baterías.