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Diferencia del 1,000 %: se encontró una gran capacidad de almacenamiento en baterías a base de agua
Los investigadores de Texas A&M han encontrado un aumento significativo en la capacidad de almacenamiento de los electrodos de batería a base de agua.
Científicos de la Universidad de Texas A&M han descubierto una diferencia del 1000 % en la capacidad de almacenamiento de los electrodos de batería a base de agua y libres de metales.
Las baterías a base de agua libres de metales son únicas de aquellas que utilizan cobalto en su forma de iones de litio. El enfoque del grupo de investigación en este tipo de batería surge del deseo de un mayor control sobre la cadena de suministro nacional, ya que el cobalto y el litio se obtienen comúnmente fuera del país. Además, la química más segura de las baterías podría prevenir incendios.
La profesora de ingeniería química, la Dra. Jodie Lutkenhaus, y el profesor asistente de química, el Dr. Daniel Tabor, han publicado sus hallazgos sobre las baterías sin litio en Nature Materials.
“Ya no habría incendios de baterías porque es a base de agua”, dijo Lutkenhaus. “En el futuro, si se prevé escasez de materiales, el precio de las baterías de iones de litio aumentará considerablemente. Si tenemos esta batería alternativa, podemos recurrir a esta química, donde el suministro es mucho más estable porque podemos fabricarlos aquí en los Estados Unidos y los materiales para hacerlos están aquí”.
Lutkenhaus dijo que las baterías acuosas consisten en un cátodo, un electrolito y un ánodo. Los cátodos y ánodos son polímeros que pueden almacenar energía, y el electrolito es agua mezclada con sales orgánicas. El electrolito es clave para la conducción de iones y el almacenamiento de energía a través de sus interacciones con el electrodo.
“Si un electrodo se hincha demasiado durante el ciclo, entonces no puede conducir los electrones muy bien y se pierde todo el rendimiento”, dijo. “Creo que hay una diferencia del 1000 % en la capacidad de almacenamiento de energía, dependiendo de la elección del electrolito debido a los efectos de hinchamiento”.
De acuerdo con su artículo, los polímeros radicales no conjugados (electrodos) con actividad redox son candidatos prometedores para las baterías acuosas libres de metales debido al alto voltaje de descarga de los polímeros y la rápida cinética redox. La reacción es compleja y difícil de resolver debido a la transferencia simultánea de electrones, iones y moléculas de agua.
"Demostramos la naturaleza de la reacción redox mediante el examen de electrolitos acuosos de carácter cao-/kosmotrópico variable utilizando una microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo con monitoreo de disipación en un rango de escalas de tiempo", según los investigadores en el artículo.
El grupo de investigación de Tabor complementó los esfuerzos experimentales con simulación y análisis computacional. Las simulaciones dieron una idea de la imagen microscópica a escala molecular de la estructura y la dinámica.
“La teoría y el experimento a menudo trabajan en estrecha colaboración para comprender estos materiales. Una de las cosas nuevas que hacemos computacionalmente en este documento es que en realidad cargamos el electrodo a múltiples estados de carga y vemos cómo responde el entorno a esta carga”, dijo Tabor.
Los investigadores observaron macroscópicamente si el cátodo de la batería funcionaba mejor en presencia de ciertos tipos de sales al medir exactamente la cantidad de agua y sal que entra en la batería mientras está en funcionamiento.
“Hicimos eso para explicar lo que se ha observado experimentalmente”, dijo. “Ahora, nos gustaría expandir nuestras simulaciones a sistemas futuros. Necesitábamos confirmar nuestra teoría de cuáles son las fuerzas que impulsan ese tipo de inyección de agua y solvente.
“Con esta nueva tecnología de almacenamiento de energía, este es un impulso hacia las baterías sin litio. Tenemos una mejor imagen a nivel molecular de lo que hace que algunos electrodos de batería funcionen mejor que otros, y esto nos da una fuerte evidencia de hacia dónde avanzar en el diseño de materiales”, dijo Tabor.
Referencia: "El papel del electrolito en polímeros radicales no conjugados para electrodos de almacenamiento de energía acuosos libres de metales" por Ting Ma, Cheng-Han Li, Ratul Mitra Thakur, Daniel P. Tabor y Jodie L. Lutkenhaus, 27 de marzo de 2023, Materiales de la naturaleza.
