Descubren que el oxígeno atrapado causa pérdida de voltaje en cátodos de sodio

Un equipo de investigación dirigido por el Prof. Li Chao de la Universidad Normal del Este de China descubrió el origen de la pérdida de voltaje en los cátodos de óxido de sodio tipo P2. Mediante el uso de espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) en el Centro de Campo Magnético Fuerte de Estado Estable (SHMFF), los Institutos Hefei de Ciencia Física de la Academia China de Ciencias, el equipo rastreó la evolución dinámica de las especies de oxígeno y aclaró su papel directo en la degradación estructural.

Los hallazgos, publicados en Advanced Energy Materials, ofrecen nuevas directrices para diseñar cátodos de sodio más estables. Los óxidos de sodio tipo P2 (Na_xA_yTM_1-yO₂) se han considerado estables para reacciones de redox de aniones en comparación con sus contrapartes tipo O₃ ricas en litio, con una disminución de voltaje suprimida. Sin embargo, el equipo observó una significativa pérdida de voltaje en el Na_0.8Li_0.26Mn_0.74O₂ de alto contenido de Na durante el ciclo, una anomalía que no podía explicarse con las teorías existentes.

Los investigadores identificaron una secuencia clara de transformaciones de oxígeno al cargar, que eventualmente llevó a la formación de O₂ molecular. Mientras que los primeros ciclos mostraron que este oxígeno aún podía ser reducido durante la descarga, con el ciclo continuo, una fracción creciente de O₂ permaneció atrapada en el estado descargado. Esta acumulación irreversible fue identificada como el principal impulsor de la pérdida de voltaje y capacidad.

En este estudio, la EPR resultó crítica, ya que permitió el monitoreo no invasivo del comportamiento redox del oxígeno y reveló cómo los intermediarios de oxígeno reactivos evolucionan y se acumulan gradualmente durante el ciclo. La EPR también expuso cambios estructurales locales: las señales asociadas con las interacciones de espín entre el manganeso y el oxígeno oxidado se hicieron más pronunciadas con el ciclo, lo que es consistente con el desarrollo de dominios ricos en Mn y Li. Estos efectos de segregación, exacerbados por el O₂ no reducido, agravaron la degradación del rendimiento.

Importante es que el equipo también explicó por qué los cátodos de alto contenido de sodio se comportan de manera diferente a sus contrapartes de bajo contenido de sodio. En materiales de alto Na, el espacio interlaminar insuficiente permite la migración y el crecimiento de vacantes, haciéndolos vulnerables al atrapamiento de oxígeno. En contraste, los cátodos de bajo Na con un mayor espacio permanecen estables y no muestran evidencia de oxígeno atrapado.

Este estudio destaca el valor único de la EPR en la investigación de baterías y sugiere que las estrategias de modificación a granel son clave para mitigar la pérdida de voltaje y desarrollar cátodos de alto rendimiento para baterías de próxima generación, según el equipo.