Investigadores de la Universidad de Texas A&M (Texas, EE.UU.) han descubierto un nuevo tipo de batería donde los electrodos, a base de agua y libres de metales, son capaces de almacenar hasta un 1000% más de energía.
Estas baterías son diferentes a las convencionales donde se emplean iones de litio que contienen cobalto. El grupo de investigadores tiene como objetivo el estudio de las baterías libres de metales, las cuales se presentan como una alternativa atractiva al tener un mejor control sobre la cadena de suministro, resuelve el problema de la escasez del cobalto y el litio al emplear materiales más disponibles. Asimismo, los investigadores aseguran que se trata de una batería más segura al eliminar la posibilidad de incendio.
La Dra. Jodie Lutkenhaus (profesora de ingeniería química) y el Dr. Daniel Tabor (el profesor asistente de química) han publicado sus hallazgos de forma conjunta, junto a otros investigadores, sobre las baterías sin litio en Nature Materials. En dicho artículo se identifican como autores los siguientes investigadores: Ting Ma, Cheng-Han Li, Ratul Mitra Thakur, Daniel P. Tabor y Jodie L. Lutkenhaus.
<<Ya no habría incendios de baterías porque es a base de agua >>, dijo la Dra. 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>>.
La Dra. Lutkenhaus comentó que las baterías acuosas están conformadas por un cátodo, un electrolito y un ánodo. Los cátodos y ánodos son polímeros que pueden almacenar energía, y el electrolito se trata de agua mezclada con sales orgánicas. El electrolito es primordial 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 de forma óptima y se pierde todo el rendimiento”, añadío Lutkenhaus. «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».
Acorde al artículo de los investigadores, 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. Pese a esto último, la investigación realizada deja claro que este tipo de baterías tienen un potencial considerable de cara al futuro.
Asimismo, los investigadores comentaron lo siguiente: <<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>>.
Para la investigación de esta batería, el grupo de investigadores liderado por el Dr. Tabor recurrió al análisis computacional y a simulaciones.
<<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>>, añadió el Dr. Tabor.
De esta forma, los investigadores observaron de forma macroscópica 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.
<< 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 >>, comentó el Dr. Tabor. << Con esta nueva tecnología de almacenamiento de energía, se consigue 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 brinda una fuerte evidencia de hacia dónde avanzar en el diseño de materiales >>.
Este proyecto de investigación está financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias a través de la Estación Experimental de Ingeniería de Texas A&M.
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