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Se creó un nuevo tipo de batería que puede cargarse 10 veces más rápido que las baterías de iones de
Además, es más seguro en términos de posibles riesgos de incendio y tiene un menor impacto ambiental.
Es difícil imaginar nuestra vida diaria sin baterías de iones de litio. Dominan el mercado de baterías de pequeño formato para dispositivos electrónicos portátiles y también se utilizan comúnmente en vehículos eléctricos. Al mismo tiempo, las baterías de iones de litio tienen una serie de problemas graves, que incluyen: un riesgo potencial de incendio y pérdida de rendimiento a bajas temperaturas; así como un impacto medioambiental considerable de la eliminación de baterías gastadas.
Según el líder del equipo de investigadores, el profesor del Departamento de Electroquímica de la Universidad de San Petersburgo, Oleg Levin, los químicos han estado explorando polímeros que contienen nitroxilo con actividad redox como materiales para el almacenamiento de energía electroquímica. Estos polímeros se caracterizan por una alta densidad de energía y una velocidad de carga y descarga rápida debido a una cinética redox rápida. Un desafío para la implementación de dicha tecnología es la conductividad eléctrica insuficiente. Esto impide la recogida de carga incluso con aditivos altamente conductores, como el carbono.
Buscando soluciones para superar este problema, los investigadores de la Universidad de San Petersburgo sintetizaron un polímero basado en el complejo níquel-salen (NiSalen). Las moléculas de este metalopolímero actúan como un cable molecular al que se unen colgantes de nitroxilo de alto consumo energético. La arquitectura molecular del material permite lograr un rendimiento de alta capacitancia en un amplio rango de temperaturas.
“Se nos ocurrió el concepto de este material en 2016. En ese momento, comenzamos a desarrollar un proyecto fundamental“ Materiales de electrodos para baterías de iones de litio basados en polímeros organometálicos ”. Fue apoyado por una subvención de la Russian Science Foundation. Al estudiar el mecanismo de transporte de carga en esta clase de compuestos, descubrimos que hay dos direcciones clave de desarrollo. En primer lugar, estos compuestos se pueden utilizar como capa protectora para cubrir el cable conductor principal de la batería, que de otro modo estaría hecho de materiales tradicionales de batería de iones de litio. Y, en segundo lugar, se pueden utilizar como componente activo de los materiales de almacenamiento de energía electroquímica ”, explica Oleg Levin.
El polímero tardó más de tres años en desarrollarse. En el primer año, los científicos probaron el concepto del nuevo material: combinaron componentes individuales para simular la columna vertebral eléctricamente conductora y colgantes que contienen nitroxilo activo redox. Era esencial asegurarse de que todas las partes de la estructura funcionaran en conjunto y se reforzaran entre sí. La siguiente etapa fue la síntesis química del compuesto. Fue la parte más desafiante del proyecto. Esto se debe a que algunos de los componentes son extremadamente sensibles e incluso el más mínimo error de un científico puede provocar la degradación de las muestras.
De las diversas muestras de polímero obtenidas, solo una resultó ser suficientemente estable y eficaz. La cadena principal del nuevo compuesto está formada por complejos de níquel con ligandos salen. Un radical libre estable, capaz de oxidación y reducción rápidas (carga y descarga), se ha unido a la cadena principal a través de enlaces covalentes.
“Una batería fabricada con nuestro polímero se cargará en segundos, unas diez veces más rápido que una batería de iones de litio tradicional. Esto ya se ha demostrado mediante una serie de experimentos. Sin embargo, en esta etapa, todavía está rezagado en términos de capacidad: entre un 30 y un 40% menos que en las baterías de iones de litio. Actualmente estamos trabajando para mejorar este indicador mientras mantenemos la tasa de carga y descarga ”, dice Oleg Levin.
Se ha fabricado el cátodo de la nueva batería, un electrodo positivo para su uso en fuentes de corriente química. Ahora necesitamos el electrodo negativo: el ánodo. De hecho, no es necesario crearlo desde cero, se puede seleccionar entre los existentes. En combinación, formarán un sistema que, en algunas áreas, pronto sustituirá a las baterías de iones de litio.
“La nueva batería puede funcionar a bajas temperaturas y será una excelente opción cuando la carga rápida sea crucial. Es seguro de usar: no hay nada que pueda representar un peligro de combustión, a diferencia de las baterías a base de cobalto que están muy extendidas en la actualidad. También contiene significativamente menos metales que pueden causar daño ambiental. El níquel está presente en nuestro polímero en una pequeña cantidad, pero hay mucho menos que en las baterías de iones de litio ”, dice Oleg Levin.
Referencia: “El rápido y el capaz: A [Ni (Salen)] - Polímero conductor redox TEMPO para baterías orgánicas” por Anatoliy A. Vereshchagin, Dr. Daniil A. Lukyanov, Ilia R. Kulikov, Dr. Naitik A. Panjwani , Dra. Elena A. Alekseeva, Prof. Jan Behrends y Prof. Oleg V. Levin, 17 de noviembre de 2020, Batteries and Supercaps.
