Un estado novedoso del manganeso, teorizado por primera vez en un artículo en una revista académica alemana hace 90 años, ha sido confirmado por un grupo de científicos en Estados Unidos. El descubrimiento podría conducir al desarrollo de baterías de alto rendimiento, basadas en tecnología de ion-sodio

Científicos de la tecnológica californiana Natron Energy, anteriormente Alveo Energy, dirigieron la investigación, con contribuciones clave del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EEUU y la Universidad de Nueva York.

La investigación, publicada en la revista Nature Communications , se centra en un diseño no convencional para electrodos en una batería de ion-sodio, suministrada por Natron Energy. El ánodo de la batería está hecho de una mezcla de materiales, que incluyen manganeso, carbono y nitrógeno, mientras que el cátodo utiliza cobre, nitrógeno, carbono y hierro.

"Lo más interesante es que ambos electrodos se basan en la química de los metales de transición en el mismo tipo de materiales", explica Wanli Yang, científico del equipo de Berkeley Lab. "Por lo general, en baterías de ion-litio y de ion-sodio, el ánodo se basa más a menudo en el carbono".

En las pruebas, la batería pudo entregar el 90% de su energía total en una descarga de cinco minutos y retener el 95% de su capacidad inicial después de 1.000 ciclos. Según el CEO de Natron Energy, Colin Wessells, el costo total de la batería es competitivo con las baterías de plomo-ácido, con una huella ambiental muy reducida.

El rendimiento de la batería es posible gracias a un nuevo estado de manganeso recientemente descubierto en el ánodo. Este estado, donde el elemento pierde un solo electrón, se conoce como estado '1-plus' o 'monovalente'. Aunque es inusual para los átomos de manganeso, la especulación de que podrían existir en este estado se remonta a una investigación publicada por primera vez en 1928.

Buscando confirmar su existencia, los científicos recurrieron a un sistema de nueva construcción en la fuente de luz avanzada del Berkeley Lab. Llamada 'dispersión de rayos X inelástica resonante in situ' (RIXS), las pruebas mostraron de inmediato el contraste en el comportamiento del electrón durante los ciclos de carga y descarga.

"Un contraste muy claro aparece inmediatamente con RIXS", dice Yang. "Más tarde nos dimos cuenta de que el manganeso 1-plus se comporta muy, muy de cerca con el estado típico de más de 2 en otras espectroscopías convencionales", razón por la cual había sido difícil de detectar durante tantas décadas.

"El análisis de los resultados de RIXS no solo confirma el estado de manganeso 1-plus; también muestra que las circunstancias especiales que dan lugar a este estado hacen que sea más fácil para los electrones viajar en el material ", agrega Andrew Wray de la Universidad de Nueva York. "Es probable que este electrodo de batería tan inusual funcione tan bien".

Wessell, de Natron Energy, afirma que los prototipos comerciales de la batería ya están en fase de prueba, y que la compañía planea promover la tecnología para aplicaciones de almacenamiento en la red, así como para energía de emergencia y para alimentar equipos pesados.

Yang, del Berkeley Lab, mientras tanto, afirma que este descubrimiento podría impulsar una mayor innovación en el campo de los materiales de los electrodos. "El funcionamiento de una batería podría impulsar la aparición de estados químicos atípicos para nuestro pensamiento convencional. Esta comprensión básica podría desencadenar otros diseños novedosos, y abrir nuestros ojos más allá de lo que conocemos hasta la fecha sobre los materiales de los electrodos ".