Mecanismos de almacenamiento electroquímico de energía

El método del equipo de Drexel, que se publica en Nature Energy, , combina dos procedimientos de investigación científica bien establecidos, uno utilizado para determinar la composición de compuestos químicos por su capacidad de absorber luz visible y otro que mide la corriente eléctrica de dispositivos de almacenamiento de energía, como baterías y supercondensadores. Al realizar estas pruebas simultáneamente, los investigadores han logrado una forma más precisa de seguir la transferencia de iones dentro de los dispositivos, revelando el intrincado proceso electroquímico que rige la generación de energía utilizable.

Una visión mejor

"Aunque se trata de un campo muy estudiado desde hace décadas, aún no comprendemos del todo los mecanismos de los procesos electroquímicos en diversos sistemas de almacenamiento de energía", explica Danzhen Zhang, estudiante de doctorado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de Drexel y coautor del artículo. "Aunque tenemos una comprensión conceptual de las reacciones electroquímicas implicadas, cuantificar y observar estos complejos sistemas electroquímicos de forma significativa durante su funcionamiento es extremadamente difícil y sigue siendo un área de investigación en curso".

El reto reside en que no es posible ver los iones, las partículas atómicas cargadas que se acumulan en un dispositivo cuando se carga y cuyo movimiento crea la corriente eléctrica que le permite funcionar. Son demasiado pequeñas y se mueven demasiado deprisa. Lo mejor que pueden hacer los investigadores es basarse en las señales que indican dónde es probable que estén presentes -una especie de radar atómico de baja resolución-, disparándoles partículas y registrando lo que rebotan.

Sin poder ver cómo se organizan los iones dentro, encima y entre los compartimentos de almacenamiento de energía del dispositivo, llamados electrodos, puede resultar bastante difícil diseñarlos adecuadamente para maximizar el área de almacenamiento de energía y facilitar la entrada y salida ordenada de los iones.

"Sería como abrir la puerta de la despensa con los ojos cerrados y husmear en el interior para determinar si hay espacio suficiente para unas cuantas latas más de sopa", explica John Wang, doctor e investigador postdoctoral asociado de la Facultad de Ingeniería y coautor del artículo. "Ahora mismo, sigue siendo difícil hacer mediciones directas y observar cómo funcionan los dispositivos de almacenamiento de energía. Sería mucho mejor si pudiéramos echar un buen vistazo a la estructura atómica para saber cómo y dónde encajarán los iones; entonces quizá podamos diseñar una estructura que pueda alojar muchos más de ellos. Creemos que el método que hemos creado nos permitirá hacer esas mediciones y ajustes".

Intentando encajar

Las tres formas más comunes en que los iones se reúnen en un electrodo son dentro de sus capas atómicas, sobre su superficie o encima de otros iones que ya están en su superficie.

Cada una de estas formas tiene ventajas e inconvenientes en cuanto al rendimiento de la batería o el supercondensador. La entrada o intercalación en las capas del material del electrodo permite almacenar más iones, es decir, más energía. Adherirse y desprenderse de la superficie del material, lo que se denomina reacción redox superficial, permite una rápida liberación de energía. Y posarse con moléculas de disolvente sobre una capa de iones en la superficie, una reacción eléctrica de doble capa, permite una descarga de potencia ligeramente mayor pero con menos energía.

Los investigadores pueden observar cuánto tarda un dispositivo de almacenamiento en descargarse y cargarse de nuevo, o probar el material del electrodo al principio y al final de un ciclo de descarga para hacerse una idea bastante aproximada del mecanismo de almacenamiento predominante.

Un secreto inquietante

Pero investigaciones recientes sugieren que estos mecanismos de almacenamiento de energía no siempre se producen como reacciones ordenadas y discretas. Hay una serie de reacciones que se producen con mecanismos mixtos o intermedios. Por eso, distinguirlas con precisión y comprenderlas a fondo es importante para mejorar el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía.

Cuantificar con precisión los iones de un electrodo, seguir su evolución a lo largo de los ciclos de carga y descarga y no perderlos de vista permitirá a los investigadores hacerse una idea más precisa de todas las reacciones que tienen lugar y, lo que es más importante, identificar las reacciones secundarias parásitas que pueden entorpecer el rendimiento del dispositivo.

Con esta información, los diseñadores podrían adaptar mejor los materiales de los electrodos y los electrolitos para mejorar el rendimiento y limitar la degradación.

Una combinación esclarecedora

El nuevo método del equipo de Drexel permite controlar tanto la posición como el movimiento de los iones del electrolito al electrodo dentro de un dispositivo de almacenamiento de energía. Su método combina la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-vis) -un método para determinar la composición química de un compuesto por la forma en que absorbe la luz- con un método que mide la corriente eléctrica durante los ciclos de carga-descarga, llamado voltamperometría cíclica (CV).

El avance se produjo cuando el grupo utilizó la espectroscopia UV-vis para observar la interacción electroquímica en finas películas de nanomateriales de una serie de sistemas electrodo-electrolito. Aunque la espectroscopia UV-vis no se ha utilizado tradicionalmente de este modo, el hecho de que el material del electrodo estudiado fuera tan fino, hasta el punto de ser transparente, permitió que la espectroscopia UV-vis caracterizara sus cambios electroquímicos durante la carga y la descarga.

Para validar sus hallazgos iniciales, el equipo registró datos espectrales mediante UV-vis en los mismos intervalos que las reacciones electroquímicas. En el transcurso de este proceso, se dieron cuenta de que podría ser posible sincronizar los datos espectrales visuales UV-Vis con las mediciones CV de la corriente, lo que eliminaría un nivel de incertidumbre que envolvía el comportamiento electroquímico que intentaban cuantificar.

Al correlacionar las señales de los dos métodos, los investigadores pudieron determinar no sólo cuándo se producía una reacción concreta, sino también cuántos electrones se transferían durante la reacción, el indicador clave del tipo de mecanismo electroquímico que estaba teniendo lugar.

Para relacionar los resultados, el equipo trazó los datos UV-vis en un gráfico con las mediciones CV, creando un gráfico denominado curva "UV-vis CV". Cada mecanismo electroquímico, ya sea redox, parcialmente redox o eléctrico de doble capa, traza una curva distinta debido a la forma en que la transferencia de electrones modifica el paso de la luz a través del material, así como el desplazamiento de su corriente eléctrica.

Por ejemplo, una línea que traza una forma aproximadamente rectangular indicaría que se está produciendo una carga eléctrica de doble capa, mientras que las curvas con picos pronunciados indican que se está produciendo una reacción redox.

"Las curvas 'UV-vis CV' nos permitieron identificar una correlación entre los cambios espectrales y los procesos electroquímicos, facilitando así la diferenciación de los procesos redox de tipo batería eléctrica de doble capa, pseudocapacitiva y de intercalación", escribieron. "Además, la calibración del cambio de estado de oxidación en un sistema pseudocapacitivo permitió cuantificar el número de electrones transferidos durante la reacción, de forma similar a la espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón in situ".

Afinar la imagen

Según Danzhen, la correlación proporcionó información suficiente para que el equipo comprendiera cómo cambiaba la estructura electrónica de los materiales del electrodo durante el ciclado. Y se trata de una medición más precisa que las registradas por los métodos más caros y lentos que se utilizan actualmente, como la absorción de rayos X o la espectroscopia de pérdida de energía de electrones.

"Haciendo coincidir o cruzando con precisión esas mediciones, podemos eliminar los efectos de la reacción parasitaria y hacer más precisos nuestros resultados cuantitativos", afirma Danzhen.

Al poner a prueba su método, el equipo pudo confirmar una hipótesis según la cual el mecanismo que rige la interacción entre un electrolito de agua en sal y un electrodo de película fina, hecho de un nanomaterial bidimensional en capas, llamado MXene, descubierto y estudiado en Drexel, es un proceso de carga eléctrica de doble capa.

"Anteriormente, los investigadores utilizaban UV-vis para distinguir cualitativamente los mecanismos de almacenamiento de energía, pero nunca cuantificaban las actividades redox", dijo Danzhen. "Nuestro método UV-vis para cuantificar el número de transferencia de electrones elimina eficazmente este efecto al utilizar señales ópticas para controlar directamente los cambios en los materiales de los electrodos. Además, los cálculos derivados del método UV-vis ayudan a eliminar aún más las imprecisiones que aparecen al utilizar la caracterización electroquímica convencional."

Un camino más claro

Aunque su aplicación actual se limitaría a la transparencia de los materiales de electrodos, los investigadores sugieren que este método podría ser una alternativa de bajo coste a la espectroscopia de absorción de rayos X, cuyo equipo puede costar más de un millón de dólares. Y podría facilitar el desarrollo de materiales para el almacenamiento de energía, la desionización capacitiva del agua, el accionamiento electroquímico y la captación de energía, señalan.

"Identificar la combinación precisa de materiales de electrodos y electrolitos entre un sinfín de posibilidades requiere una evaluación y categorización rápidas del comportamiento electroquímico de los materiales utilizados", afirma el doctor Yury Gogotsi, catedrático distinguido de la Universidad y profesor Bach en la Facultad de Ingeniería, que dirigió la investigación. "Nuestro método proporciona un proceso eficaz, con equipos de fácil acceso, que permite clasificar con rapidez y precisión cómo interactúan los materiales con los iones en los sistemas electroquímicos. Utilizar esto para trazar nuestro camino hacia mejores materiales y dispositivos de almacenamiento de energía podría ayudar a evitar cualquier número de pasos en falso."

El equipo tiene previsto continuar su trabajo utilizando su método para probar nuevas combinaciones de materiales de electrolito y electrodo e investigar sistemas más complejos de almacenamiento electroquímico de energía.