Tecnología Post-Lithium

Cátodo polimérico de alta densidad de energía para baterías de iones de sodio y multivalentes de carga rápida

06.11.2019 - Estados Unidos

Las baterías de próxima generación probablemente verán el reemplazo de los iones de litio por iones alcalinos más abundantes y benignos para el medio ambiente o iones multivalentes. Sin embargo, un reto importante es el desarrollo de electrodos estables que combinen altas densidades de energía con tasas de carga y descarga rápidas. En la revista Angewandte Chemie, científicos estadounidenses y chinos reportan un cátodo de alto rendimiento hecho de un polímero orgánico para ser usado en baterías de iones de sodio de bajo costo, ambientalmente benignas y duraderas.

Las baterías de iones de litio son la tecnología más avanzada para dispositivos portátiles, sistemas de almacenamiento de energía y vehículos eléctricos, cuyo desarrollo ha sido galardonado con el premio Nobel de este año. Sin embargo, se espera que las baterías de próxima generación proporcionen densidades de energía más altas, mejores capacidades y el uso de materiales más baratos, más seguros y más benignos para el medio ambiente. Los nuevos tipos de baterías más explorados emplean esencialmente la misma tecnología de carga y descarga en mecedora que la batería de litio, pero el ión litio es sustituido por iones metálicos baratos como los iones de sodio, magnesio y aluminio. Desafortunadamente, esta sustitución trae consigo importantes ajustes en los materiales de los electrodos.

Los compuestos orgánicos son favorables como materiales de electrodos porque, por un lado, no contienen metales pesados nocivos y caros, y pueden adaptarse a diferentes propósitos. Su desventaja es que se disuelven en electrolitos líquidos, lo que hace que los electrodos sean inherentemente inestables.

Chunsheng Wang y su equipo de la Universidad de Maryland, EE.UU., y un equipo internacional de científicos han introducido un polímero orgánico como material de alta capacidad, de carga rápida e insoluble para cátodos de baterías. Para el ión sodio, el polímero superó a los cátodos poliméricos e inorgánicos actuales en cuanto a entrega y retención de capacidad, y para los iones polivalentes de magnesio y aluminio, los datos no se quedaron atrás, según el estudio.

Como material catódico adecuado, los científicos identificaron el compuesto orgánico hexaazatrinaftaleno (HATN), que ya ha sido probado en baterías de litio y supercondensadores, donde funciona como un cátodo de alta densidad de energía que intercala rápidamente iones de litio. Sin embargo, como la mayoría de los materiales orgánicos, HATN se disolvió en el electrolito e hizo que el cátodo se volviera inestable durante el ciclo. El truco era ahora estabilizar la estructura del material mediante la introducción de enlaces entre las moléculas individuales, explicaron los científicos. Obtuvieron un polímero orgánico llamado HATN polimérico, o PHATN, que ofrecía cinética de reacción rápida y altas capacidades para iones de sodio, aluminio y magnesio.

Después de ensamblar la batería, los científicos probaron el cátodo PHATN usando un electrolito de alta concentración. Encontraron excelentes resultados electroquímicos para los iones no de litio. La batería de sodio podía operar a altos voltajes de hasta 3,5 voltios y mantener una capacidad de más de 100 miliamperios hora por gramo incluso después de 50.000 ciclos, y las baterías de magnesio y aluminio correspondientes estaban muy cerca de estos valores competitivos, informaron los autores.

Los investigadores prevén que estos cátodos poliméricos a base de pirazina (la pirazina es la sustancia orgánica sobre la que se basa la HATN; es una sustancia orgánica aromática, rica en nitrógeno, similar al benzol, con un sabor afrutado) que se emplearán en baterías recargables de la próxima generación, benignas para el medio ambiente, de alta densidad de energía, rápidas y ultraestables.

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