Construir baterías más económicas y sostenibles es solo la mitad del desafío; lograr que resistan cientos de ciclos de carga y descarga es igual de importante. Un equipo de investigadores de España y Francia, liderado por CIC energiGUNE, ha abordado este problema en las baterías de iones de sodio mejorando el blanco de Prusia, un material fácil de sintetizar y respetuoso con el medio ambiente. Utilizando el Sincrotrón ALBA, han descubierto cómo una simple modificación química puede prolongar drásticamente la vida útil de las baterías.

Para que las baterías de iones de sodio compitan con la tecnología de iones de litio —la tecnología predominante en la actualidad— se necesitan materiales de cátodo altamente rentables y más sostenibles. Los materiales de blanco de Prusia que contienen manganeso (Mn) son especialmente prometedores porque su rendimiento rivaliza con el de las baterías de litio. Sin embargo, su talón de Aquiles es su escasa durabilidad a largo plazo. Durante la carga, el Mn se oxida, lo que desencadena una distorsión estructural local. Esta distorsión causa grandes cambios de volumen que derivan en una degradación estructural severa y una rápida pérdida de capacidad.

El equipo de investigación planteó la hipótesis de que sustituir parcialmente el Mn por hierro (Fe) podría estabilizar el material a lo largo del tiempo. Los resultados fueron sorprendentes: el material modificado conservó el 93 % de su capacidad de carga original tras 50 ciclos, frente a solo el 62 % de la versión inalterada. Pero el verdadero avance fue comprender por qué ocurría esto.

Los investigadores descubrieron que añadir Fe no suprime la perturbación local de la estructura, sino que mitiga su efecto perjudicial sobre la estructura global. De hecho, aunque la distorsión atómica local sigue ocurriendo, lo que cambia es su impacto estructural general: al sustituir parte del Mn por Fe, el número de sitios propensos a la distorsión se reduce aproximadamente a la mitad. Esto evita que las distorsiones locales se propaguen y se acumulen formando una estructura muy tensionada del material que dañaría el cátodo cuando la batería se carga a niveles altos. El resultado es una estructura mucho más estable que soporta bien los ciclos de carga repetidos.

Para descubrir la causa subyacente, los investigadores examinaron los electrodos de la batería en distintas etapas de carga utilizando dos técnicas complementarias en la línea de luz NOTOS del Sincrotrón ALBA. La clave es que cada técnica “observa” el material a una escala diferente. La espectroscopía de absorción de rayos X (XAS) permite hacer “zoom” hasta el entorno atómico local alrededor de átomos individuales en una escala inferior a un nanómetro. A este nivel de detalle, la técnica confirmó que sigue produciéndose una fuerte distorsión atómica local en el material con sustitución parcial de Fe. Por el contrario, la difracción de rayos X (XRD) ofrece una visión más amplia de la estructura ordenada y repetitiva del material, que se extiende hasta escalas micrométricas. A esta escala, los resultados mostraron que el material original, sin sustituir, experimentaba cambios masivos de volumen que comprometían su estructura, mientras que la versión sustituida con Fe solo sufría ligeras modificaciones.

La relevancia de este estudio radica en haber conectado ambas escalas mediante técnicas complementarias, demostrando que una distorsión atómica local no tiene por qué comprometer la estructura global del material.

Este hallazgo supone un cambio de paradigma en la forma de entender la degradación de las baterías, y es el resultado de una colaboración entre CIC energiGUNE, la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), el Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM), el ALISTORE-European Research Institute, la RS2E y el Sincrotrón ALBA.

Comprender la delicada interacción entre la estructura atómica y el rendimiento electroquímico es clave para escalar estos materiales sostenibles y acercar las baterías de iones de sodio a la realidad comercial.

La combinación de datos de XAS (XANES y EXAFS) y XRD permite relacionar el perfil electroquímico con las evoluciones estructurales a escala local y de largo alcance, así como con las reacciones redox, lo que puede explicar las diferencias en el perfil de los ciclos de carga y en la estabilidad entre los materiales sin sustitución y los parcialmente sustituidos.