Con el rápido desarrollo de la tecnología industrial, las reservas de fuentes de energía no renovables, representadas por los combustibles fósiles, han disminuido drásticamente en los últimos años. Existe una necesidad urgente de una tecnología de almacenamiento de energía electroquímica ecológica y de bajo costo que se adapte al rápido desarrollo de las energías renovables y mejore su tasa de utilización. Las baterías de iones de litio (LIB) se han comercializado con éxito y se utilizan para el almacenamiento de energía a gran escala debido a su excelente densidad energética y vida útil. Sin embargo, la distribución desigual de los recursos de litio a nivel mundial y sus altos precios han impulsado una transición gradual hacia otras baterías de iones metálicos con ventajas de costo significativas, como las baterías de iones de sodio (SIB), para reducir la dependencia de las tecnologías de almacenamiento de energía de los recursos de litio. Actualmente, un gran número de investigadores han centrado su atención en el desarrollo de SIB de alto rendimiento.

Durante el trabajo de desarrollo en la etapa de laboratorio, el ensamblaje y las pruebas de las pilas de botón son indispensables. En las pruebas de pilas de botón simétricas y semipilas, el electrodo negativo es un disco de sodio metálico. Los discos de sodio generalmente se pueden obtener de dos maneras:

1. Se pueden enrollar y cortar en rodajas a partir de una pequeña cantidad de bloques de sodio metálico; 2. Se pueden comprar directamente como discos de sodio compuesto terminados comercialmente.

I. Pasos para usar rollos enrollados a mano Láminas de metal de sodio

Materiales necesarios: Bloques de sodio conservados en queroseno, papel (o paño) sin polvo, bolsa de plástico para sellar, cuchillo de plástico, molde cilíndrico central, tabla de cortar de plástico, rodillo de plástico.

Figura 1. Pasos de preparación de las láminas de sodio enrolladas a mano.

1. Manipulación de bloques de sodio: En una caja de guantes llena de gas argón y con un contenido de agua y oxígeno inferior a 0,1 ppm, retire los bloques de sodio almacenados en queroseno. Limpie la superficie de los bloques de sodio con papel (o paño) sin pelusa y utilice un cuchillo de plástico para raspar la capa de óxido de la superficie, dejando al descubierto el metal de sodio brillante.

2. Empaquetado: Coloque los bloques de sodio procesados en una bolsa de plástico sellada para evitar la contaminación de los bloques de sodio debido al contacto directo con herramientas y otros objetos.

3. Laminado: Utilice rodillos de plástico para hacer rodar los bloques de sodio en diferentes direcciones y formar láminas grandes de sodio (el grosor se puede ajustar cambiando la fuerza).

4. Compresión de tabletas: Utilice el molde cilíndrico central para troquelar tabletas de sodio de diferentes especificaciones en forma de círculos.

5. Retire las pastillas de sodio: Abra la bolsa de plástico y las pastillas circulares de sodio recortadas se desprenderán automáticamente. Deposite el sodio sobrante en el contenedor de reciclaje.

Cabe destacar que el papel o paño libre de polvo debe secarse al vacío previamente para reducir la humedad. Durante la preparación, el proceso debe realizarse en una caja de guantes con atmósfera de argón para evitar la reacción del sodio metálico con el aire. Asimismo, los operarios deben usar guantes de protección adicionales sobre los guantes de goma dentro de la caja de guantes para garantizar la seguridad.

II. Pasos de uso del compuesto comercial Chips de sodio :

Figura 2. Pasos operativos para tabletas de sodio compuestas comerciales antes de su uso.

1. Con la mano izquierda, sujete la pieza redonda con las pinzas planas y anchas. Con la mano derecha, utilice las pinzas puntiagudas de acero inoxidable para retirar la película protectora azul. Es preferible no utilizar pinzas de goma para retirar la película.

2. Utilice el mismo método para retirar la película transparente del otro lado.

III. Comparación entre tabletas de sodio comerciales y tabletas de sodio hechas a mano

Contraste de pureza

1. Para la preparación de láminas de sodio enrolladas a mano, el procedimiento habitual consiste en retirar primero los grandes bloques de sodio del queroseno y limpiar la superficie. Sin embargo, este paso puede resultar en una limpieza incompleta del queroseno, lo que conlleva una baja pureza y un alto contenido de impurezas en las láminas de sodio producidas a mano; mientras que las láminas de sodio comerciales generalmente tienen una mayor pureza, normalmente superior al 99,7 %, con menos impurezas, lo que reduce la aparición de reacciones secundarias causadas por impurezas y prolonga la vida útil de la batería.

2. Comparación del tiempo de conservación

Las láminas de sodio enrolladas a mano generalmente se fabrican y utilizan de inmediato. Debido a la ausencia de una película protectora, tras el corte y durante el proceso de ensamblaje de la batería, la superficie queda expuesta a la atmósfera de la caja de guantes durante un tiempo prolongado debido a la limpieza de residuos, lo que provoca una oxidación significativa. En cambio, las láminas de sodio compuestas comerciales se utilizan según sea necesario, y la película protectora se puede retirar en 10 segundos, lo que aumenta la eficiencia del ensamblaje de la batería en más del doble. Además, las láminas de electrodos de sodio compuestas están formadas por sodio metálico de alta pureza combinado con papel de aluminio. Ambas caras se tratan con un recubrimiento inerte y, posteriormente, se les aplica un embalaje protector de cuatro capas, lo que permite su almacenamiento a largo plazo sin oxidación. (Se pueden almacenar en la caja de guantes durante más de tres meses).

3. Contraste de uniformidad

El proceso de producción de láminas de sodio enrolladas a mano implica importantes incertidumbres. Al ser elaboradas artesanalmente, su grosor y forma no pueden ser completamente uniformes, lo que puede afectar la repetibilidad de las pruebas de baterías. La superficie de estas láminas puede ser relativamente rugosa, lo que resulta en una menor área de contacto y una peor calidad de contacto con los materiales del electrodo en comparación con las láminas de sodio comerciales. Esto provoca fluctuaciones en el rendimiento de la batería. En comparación con las láminas circulares hechas a mano, se evita el problema de la baja eficiencia de ensamblaje de la batería causada por procesos de producción no estandarizados. Asimismo, la superficie lisa y brillante de las láminas de sodio reduce la aparición de microcortocircuitos causados por rebabas o arañazos, garantizando así el funcionamiento seguro y estable de las baterías de sodio. Estas ventajas hacen que las láminas de electrodos de sodio compuestas tengan amplias perspectivas de aplicación en el campo de la investigación de baterías de sodio, proporcionando a los investigadores una opción mejor y más eficiente.

En general, en las pruebas de baterías, las láminas de sodio comerciales, gracias a su alta consistencia, estabilidad, planitud y pureza, proporcionan a los investigadores resultados más precisos y fiables. Sin embargo, las láminas de sodio molidas a mano, debido a las limitaciones del proceso de fabricación, presentan un rendimiento relativamente bajo. Al elegir láminas de sodio, los investigadores deben considerar exhaustivamente los requisitos experimentales específicos y el presupuesto disponible.

IV. Comparación entre comprimidos de sodio elaborados a mano y comprimidos de sodio comerciales

Para observar visualmente las diferencias de rendimiento entre las dos láminas de sodio, utilizamos Cu-BTC como precursor y realizamos un tratamiento térmico simple y un grabado ácido para preparar un nanocristal de carbono poroso dopado con nitrógeno. Con base en estas dos láminas de sodio, ensamblamos semibaterías para evaluar las diferencias de rendimiento. A continuación se muestran las diferencias de rendimiento de las dos semibaterías basadas en láminas de sodio:

Figura 3. Rendimiento de ciclado de la semicelda basada en láminas de sodio enrolladas a mano utilizando NC

Figura 4. Rendimiento cíclico de una semicelda basada en láminas de sodio compuesto NC

Como se puede observar en la Figura 3, la relación de capacidad específica de carga de Cu@NC y la eficiencia coulómbica están relacionadas durante 1000 ciclos. Debido a la superficie rugosa de la lámina de sodio enrollada a mano, es más propensa a causar un cortocircuito suave. Después de que las dendritas atraviesan el separador, los electrodos positivo y negativo entran en contacto y causan un cortocircuito suave, y la eficiencia coulómbica comienza a caer bruscamente. Entonces, la batería muestra un fenómeno de carga continua, pero el voltaje no alcanza el límite superior de la ventana. En ciclos posteriores, a medida que las dendritas se desprenden del electrodo, los electrodos positivo y negativo dejan de entrar en contacto y la eficiencia coulómbica vuelve al 100%. En contraste, el uso de láminas de sodio compuestas comerciales puede lograr un ciclado estable durante 2000 ciclos sin ningún fenómeno de cortocircuito suave, lo que indica que las láminas de sodio compuestas comerciales tienen ventajas en la mejora de la estabilidad.

V. Conclusión

En general, las láminas de sodio compuestas comerciales presentan una mayor uniformidad que las láminas de sodio laminadas a mano y son más fáciles de usar. Permiten evitar la baja eficiencia en el ensamblaje de baterías causada por procesos de producción no estandarizados, mejorando así la consistencia del rendimiento. Además, la superficie lisa y brillante de las láminas de sodio reduce las rebabas y los arañazos, minimizando así situaciones anómalas como los microcortocircuitos y mejorando la estabilidad del ciclo de la batería. Estas ventajas hacen que las láminas de sodio compuestas comerciales tengan amplias perspectivas de aplicación en el campo de la investigación de baterías de iones de sodio, proporcionando a los investigadores una opción mejor y más eficiente.