Un nuevo avance liderado por el profesor Shinichi Komaba de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) ha demostrado que el dopaje con escandio ofrece una solución directa al problema la rápida degradación de capacidad durante los ciclos de carga y descarga de las baterías de sodio, sobre todo en cátodos a base de óxidos de sodio y manganeso (Na₂/₃MnO₂).
¿Cuál era el problema con el Na₂/₃MnO₂?
Durante cada ciclo de carga, los iones Na⁺ entran y salen del material del cátodo, proceso que altera repetidamente los estados de oxidación del manganeso entre Mn³⁺ y Mn⁴⁺. Al formarse Mn³⁺, la red atómica sufre una distorsión de Jahn-Teller, un fenómeno que con el tiempo debilita la estructura del cátodo y reduce drásticamente su capacidad útil.
Los intentos previos de dopar el material con otros metales, como iterbio o aluminio, no lograron resolver el problema de fondo. Ahí es donde entra en juego el escandio.
El rol del dopaje con escandio en la estabilidad estructural
El equipo de investigación de TUS centró su estudio en el politipo P′2 de Na₂/₃MnO₂, una variante estructural con distorsión de Jahn-Teller cooperativa. Al introducir escandio (Sc) en este tipo de cátodo, se observaron mejoras significativas en la retención de la estructura cristalina, incluso después de muchos ciclos. Entre los hallazgos más relevantes se encuentra:
- La formación de partículas más pequeñas y uniformes.
- La preservación de la distorsión cooperativa sin pérdida de cristalinidad.
- Una barrera natural frente a reacciones con el electrolito líquido y la humedad.
- Un crecimiento cristalino alterado que favorece la longevidad del cátodo.
Resultados: hasta 60% de capacidad tras 300 ciclos
En pruebas de semicelda, los cátodos P′2 dopados con un 8% de escandio mantuvieron una retención de capacidad del 60% tras 300 ciclos, algo impensable en los compuestos no dopados. Además, a diferencia de otros politipos como el P2, los beneficios fueron exclusivos del P′2, demostrando una sinergia única entre la estructura cooperativa y el dopaje con escandio.
El dopaje también resistió bien al uso de técnicas de preciclado, lo que sugiere una viabilidad industrial real para la tecnología.
La próxima fase y las consideraciones
El escandio es un metal caro, los investigadores reconocen esto, pero su estudio prueba la viabilidad del concepto, por lo que ahora el desafío es optimizar la cantidad utilizada o buscar formas de hacerlo económicamente viable para baterías de alto rendimiento. El dopaje con escandio, hasta ahora una estrategia poco explorada, podría convertirse en una herramienta esencial en la transición hacia sistemas de almacenamiento más sostenibles y robustos.