Como quizás todos hemos notado, el cuerpo de los cangrejos está cubierto por un resistente exoesqueleto de quitina que protege su blando interior, y si alguna vez han cocinado cangrejo o langosta, saben que el caparazón de estos crustáceos es muy duro, resultando muy difícil de cortar o perforar. Pero tal parece que gracias a estas resaltantes cualidades de dureza y resistencia, un grupo de investigadores han utilizado los caparazones de cangrejo para crear materiales de carbono con un interesante fin, ánodos para baterías de iones sodio de alto rendimiento.
Los caparazones de cangrejo funcionarían como fuente de carbono para fabricar ánodos más eficientes para baterías de iones de sodio. Fuente: 
¿Qué son las baterías de iones sodio?
Todo el que tenga un teléfono celular o una laptop sabe que su autonomía depende de una batería recargable de iones de litio, que como su nombre lo indica, es una celda que emplea una sal de litio como electrolito para conseguir los iones necesarios para producir el transporte de carga del cátodo al ánodo. Su popularidad se debe a diversas propiedades entre las que destacan su resistencia a un gran número de ciclos de descarga, una alta capacidad energética y muy poco efecto memoria. Sin embargo, muchos expertos temen que debido a la creciente demanda de baterías de litio podría haber una escasez de este metal en el futuro que dispare el precio de este tipo de baterías, por lo que se han empezado a buscar diferentes alternativas.
Batería de iones de litio utilizada para alimentar un celular. Fuente:
Respecto a lo anterior, las baterías de iones de sodio han despertado mucho interés como posible alternativa para la fabricación de dispositivos de almacenamiento de energía que sustituyan a las baterías de iones de litio, principalmente debido a la abundancia de sodio en la naturaleza y su bajo costo.
Por otro lado, las baterías de iones de sodio han atraído considerable atención debido a que los componentes y el mecanismo de funcionamiento es esencialmente el mismo que el de las baterías de iones de litio, pero utiliza iones de sodio (Na+) como portadores de carga. Estas también se componen de un ánodo, un cátodo, un separador, un electrolito y dos colectores de corriente, el ánodo y el cátodo sirven para almacenar los iones de sodio mientras fluyen a través del electrolito.
Esquema de funcionamiento de una batería de iones de sodio. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
Sin embargo, existen algunas diferencias obvias entre ambas tecnologías, por ejemplo el sodio posee un radio iónico mayor que afecta a la estabilidad de fase y las propiedades de transporte, además que tiene un potencial de reducción mayor. Pero gracias al desarrollo de nuevos materiales para los electrodos y nuevas configuraciones de celda, la investigación en baterías de iones de sodio sigue en auge.
Ánodos con carbono de cangrejo
Actualmente el grafeno es el material más empleado para la fabricación de ánodos para baterías de iones de litio, sin embargo, a pesar de las similitudes en el proceso de intercalación de los iones, el gran radio de los iones de sodio (0,95 Å) dificulta su inserción en el grafeno, por lo que es menor su capacidad de almacenamiento de iones de sodio en comparación con los iones de litio. Es por ello que se ha recurrido a otros materiales para ánodos de baterías de iones de sodio, siendo ampliamente estudiados materiales de carbono duro, óxidos y sulfuros metálicos, compuestos orgánicos, entre otros.
Recientemente los materiales de carbono duro derivados de biomasa están acaparando mucha atención como materiales aplicables para la fabricación de ánodos para baterías de iones de sodio, principalmente debido rendimiento, abundancia y sustentabilidad. Y para mejorar su estabilidad de ciclo y capacidad, se ha propuesto una estrategia que combine metales de transición y carbono de biomasa para proporcionar una mejor solución para escalar esta tecnología.
En este sentido, un grupo de investigadores buscó combinar materiales semiconductores de metales de transición con carbono derivado del caparazón de cangrejo para fabricar un ánodo para batería de sodio viable y a menor costo. En su trabajo de investigación, sintetizaron dos compuestos dicalcogenuros de metales de transición, específicamente disulfuro de estaño (SnS2) y disulfuro de hierro (FeS2), y se utilizaron residuos de caparazón de cangrejo como precursores de carbono duro.
El material de carbono de cangrejo fue preparado mediante la carbonización del caparazón a 700 °C durante dos horas en atmósfera inerte, luego la muestra tratada fue purificada con HCl y lavado con agua desionizada, para luego ser secado a 120 °C a vacío durante toda una noche.
Esquema de preparación del carbón de cangrejo. Fuente: imagen elaborada en powerpoint, la imagen del cangrejo es de dominio público.
Luego, para preparar los sulfuros de estaño y hierro depositados sobre el carbón obtenido, SnS2/C y FeS2/C, se utilizó una sencilla reacción hidrotémica; primeramente se mezclaron 30 mL de agua desionizada con etanol donde fueron añadidas gota a gota 0,7 g de SnCl4-5H2O, ácido ácetico y el carbono de cangrejo. Esta solución luego fue transferida aun autoclave donde se mantuvo durante 16 horas a 160 °C; el producto obtenido fue lavado con agua y etanol, y finalmente fue liofilizado. Para el sulfuro de hierro se siguió el mismo procedimiento pero partiendo de 0,54 g de FeCl3-5H2O.
Las muestras obtenidas SnS2/C y FeS2/C al ser utilizadas como electrodos, no sólo demostraron tener las altas capacidades de los sulfuros de metales de transición, sino que también mostraron conductividad mejorada al combinarse con el carbono de cangrejo. Cuando se emplearon como ánodos en baterías de sodio, la capacidad específica de descarga del electrodo mostró una estabilidad de ciclo y un rendimiento de tasa excelentes, en baterías modelos pudieron soportar al menos 200 ciclos.
Conclusión
Esta investigación pudo demostrar que se puede obtener una estructura porosa con una gran superficie a partir de biomasa residual, conchas de cangrejo en este caso, lo que mejoró las propiedades de conductividad y transporte de iones de sodio. Por lo que abre las puertas para explorar otras fuentes de materia prima de bajo coste como fuente de carbono para la construcción de baterías de iones de sodio.
Bueno amigos, espero les haya gustado la información sobre esta forma de aprovechamiento del caparazón del cangrejo para mejorar las capacidades de las baterías de sodio. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Wikipedia.org. Sodium-ion battery
Yun Chen, Yue Zhao, Hongbin Liu, and Tingli Ma. Crab Shell-Derived SnS2/C and FeS2/C Carbon Composites as Anodes for High-Performance Sodium-Ion Batteries. ACS Omega 2023 8 (10), 9145-9153 .