Las baterías sin metal abren la esperanza de redes más sostenibles y económicas
"Ya es posible desarrollar baterías de iones no metálicos de alta energía que puedan competir con las de iones metálicos"
Las baterías recargables que utilizan cationes de amonio como portadores de carga podrían ser sustitutos ecológicos y sostenibles de las baterías de iones metálicos, según demuestran investigadores de la KAUST.
Ilustración de la batería de alta eficiencia sin metales desarrollada por investigadores de la KAUST. A diferencia de las baterías convencionales, esta batería combina un electrolito que contiene cationes de amonio con electrodos de carbono.
© 2022 KAUST; Heno Hwang
Las baterías de iones metálicos, como las de iones de litio, son la solución más utilizada para almacenar energía. Dominan el mercado de la electrónica de consumo portátil y los vehículos eléctricos por su alta densidad energética y versatilidad. Sin embargo, los iones metálicos utilizados en los electrolitos proceden de recursos limitados y en declive, lo que amenaza su disponibilidad a largo plazo. Su toxicidad e inflamabilidad pueden ser inseguras y perjudiciales para el medio ambiente.
Ha habido varios intentos de generar baterías basadas en iones de amonio para resolver los problemas de sostenibilidad y medio ambiente, ya que estos cationes son ligeros y fáciles de sintetizar y reciclar. Sin embargo, los cationes de amonio son propensos a reducirse a hidrógeno y amoníaco a bajo potencial de funcionamiento, lo que impide que las baterías alcancen todo su potencial. Además, se disuelven fácilmente en los electrolitos, lo que dificulta su incorporación a los materiales de los electrodos.
Husam Alshareef, Zhiming Zhao y sus colaboradores desarrollaron una batería sin metales de alta eficiencia combinando un electrolito que contiene amonio y cationes con electrodos de carbono. Según Zhao, el cátodo de grafito y el ánodo semiconductor orgánico son baratos, ecológicos y renovables.
Con los cationes de amonio, los investigadores eligieron iones de hexafluorofosfato como portadores de carga negativa y aprovecharon la capacidad del grafito para alojar reversiblemente estos aniones dentro de sus capas para crear una batería de "doble ion". En la batería, los cationes y los aniones se insertan simultáneamente en su electrodo correspondiente durante los ciclos de carga y se liberan en el electrolito durante los ciclos de descarga.
Esto diferencia nuestro trabajo de otros estudios, afirma Zhao.
"Diseñamos un electrolito que es a la vez antioxidante y antirreductor mediante el cribado de una serie de disolventes resistentes a la alta tensión y teniendo en cuenta también su estabilidad a la reducción", dice Zhao.
El disolvente antioxidante solvataba principalmente los aniones que participan en la reacción catódica, mientras que su homólogo antirreductor formaba una esfera de solvatación alrededor de los cationes que intervienen en la reacción anódica. "Esta configuración es crucial para la estabilidad de la batería", explica Zhao.
La batería superó a las análogas existentes basadas en iones de amonio con una tensión de funcionamiento récord de 2,75 voltios. "Ahora es posible desarrollar baterías de iones no metálicos de alta energía que puedan competir con las de iones metálicos", afirma Zhao.
El equipo trabaja actualmente en mejorar el rendimiento para acercarse a las aplicaciones a gran escala. "Estamos explorando materiales anódicos con mayor capacidad, lo que es crucial para mejorar la densidad energética", afirma Zhao.
El grupo de Alshareef está desarrollando alternativas baratas a las baterías de iones de litio, sobre todo para el almacenamiento a escala de red. "Para descarbonizar por completo la red, el coste de las baterías debe reducirse considerablemente", afirma Alshareef. Sustituir el litio por portadores de carga no metálicos, como los iones de amonio, puede ayudar a reducir esos costes.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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