La densidad es importante para mejorar el rendimiento del material de las pilas
¿Se ha encontrado la clave para mejorar el rendimiento electroquímico?
El zinc -barato, abundante y respetuoso con el medio ambiente- puede ser la respuesta a la mejora de las pilas, pero hay un gran problema: las pilas acuosas de iones de zinc (AZIB) no pueden equipararse a las de iones de litio en cuanto a potencia. Para probar qué composición del material del electrodo podría equiparar a las AZIB, un equipo de investigación chino desarrolló dos estructuras orgánicas con los mismos componentes pero dispuestos de distinta manera.
Al ponerlas a prueba, la estructura con la densidad adecuada de sitios activos -donde los iones de zinc obtienen electrones para recargar la pila- dio mejores resultados.
Los investigadores publicaron sus resultados el 8 de octubre en Energy Materials and Devices.
"Durante más de una década, los AZIB han recibido una atención considerable como tecnología de baterías muy prometedora", afirma Meilin Li, coautora del trabajo, que pertenece a la Facultad de Ciencias de los Materiales e Ingeniería Energética y al Instituto de Tecnología para la Neutralidad del Carbono del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SIAT) de la Academia China de Ciencias. "Se han explorado diversos materiales para electrodos, con opciones inorgánicas muy estudiadas. Sin embargo, estos materiales suelen plantear problemas, como la degradación de la estructura cristalina y una capacidad específica limitada."
Los materiales orgánicos que constituyen el cátodo -donde los grupos funcionales experimentan procesos alternos de oxidación y reducción durante las reacciones de carga y descarga, correspondientes a la absorción y liberación de iones de zinc- son moléculas dispuestas de forma cristalina. Estas moléculas contienen sitios activos donde los iones reaccionan y ganan electrones. Sin embargo, las moléculas inorgánicas sólo pueden albergar un número limitado de reacciones y sólo pueden mantenerlas durante un periodo finito antes de sufrir una descomposición.
"A diferencia de los materiales inorgánicos, los orgánicos presentan propiedades redox superiores, una gran capacidad específica y flexibilidad estructural", explica Li. "En este trabajo, diseñamos dos materiales de marco orgánico covalente (COF) con la misma estructura y número de grupos energéticos para investigar la correlación entre las densidades de los sitios activos y el rendimiento electroquímico".
El primer COF utilizó la molécula orgánica benzoquinoxalina benzoquinona (BB-COF), mientras que el segundo utilizó triquinoxalinileno benzoquinona (TB-COF). Ambas estructuras tenían forma de anillo y el mismo número de grupos energéticos. Los grupos energéticos albergan los sitios activos, es decir, átomos de carbono unidos a oxígeno o nitrógeno. La TB-COF era en general una molécula más densa, pero los grupos energéticos de la BB-COF estaban más dispersos en sitios activos.
Y ésa parece ser la clave del mejor rendimiento electroquímico, según Li.
"Aunque el TB-COF presenta una capacidad específica inicial encomiable gracias a sus grupos funcionales densamente empaquetados, su susceptibilidad al deterioro de la capacidad debido a potentes interacciones lo sitúa en desventaja a la hora de competir por el papel de material catódico de AZIBs", afirma Li. "El BB-COF, en cambio, demostró un ciclado estable incluso a -40 grados Celsius durante 2.000 ciclos, lo que significa que podría permanecer estable aunque una batería se cargara y descargara 2.000 veces".
Los investigadores analizaron la composición química y la morfología de los COF, determinando que el mayor diámetro de BB-COF permitía un transporte rápido de iones y una utilización más eficaz de los sitios activos. A temperatura ambiente, tras 10.000 ciclos, el BB-COF conservaba una capacidad específica -medida de la carga por peso- de 72 miliamperios-hora por gramo de masa. La capacidad específica del TB-COF descendió a 40 miliamperios-hora por gramo de masa.
"Se cree que la regulación y el control de las dimensiones de los poros para obtener las densidades óptimas de sitios activos no sólo mejoran la velocidad de transporte de iones de zinc en las vías de COF, sino que también ayudan a mantener la estabilidad de las estructuras de COF", afirmó Li. "Por tanto, este enfoque es una dirección para futuros esfuerzos".
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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