Una nueva técnica "one-pot", un gran avance en la síntesis de materiales
La investigación creó simultáneamente electrolitos de batería inorgánicos y poliméricos, con aplicaciones potenciales en toda la química
La creación de electrolitos para baterías -el componente que transporta las partículas cargadas entre los dos terminales de una batería- siempre ha supuesto un compromiso.
Un nuevo trabajo del laboratorio del profesor adjunto Chibueze Amanchukwu (izquierda) de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la UChicago, en el que participa la primera autora Priyadarshini Mirmira (derecha), demuestra una nueva técnica para construir electrolitos inorgánicos y poliméricos al mismo tiempo y en el mismo recipiente.
UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich
Los electrolitos inorgánicos de estado sólido transportan las partículas con gran eficacia, pero al ser sólidos e inorgánicos también son frágiles, difíciles de trabajar y de conectar a la perfección con los terminales. Los electrolitos poliméricos son un sueño, pero no mueven tan bien los iones cargados.
Mezclar ambos para crear electrolitos híbridos da resultados dispares.
"Hay un dilema. ¿Es un híbrido lo mejor de los dos mundos en cuanto a mayor conductividad iónica del inorgánico y buenas propiedades mecánicas del polímero, o es una combinación de sus peores propiedades?", afirma el profesor adjunto Chibueze Amanchukwu, de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME).
Una nueva técnica del laboratorio de Amanchukwu construye electrolitos inorgánicos y poliméricos al mismo tiempo, en el mismo recipiente. Este método "one-pot" in situ crea una mezcla controlada y homogénea que combina la conductividad de los sólidos inorgánicos con la flexibilidad de los polímeros.
"Cuando se fabrican baterías de metal de litio, el método in situ supera con creces al método de mezcla física", afirma Amanchukwu.
Su trabajo se publicó en Chemistry of Materials.
Aunque el estudio se centró en los electrolitos de baterías, la nueva técnica tendrá repercusiones en la investigación de semiconductores, electrónica, revestimientos industriales, sellantes y cualquier otro campo que dependa de materiales híbridos.
"Digamos que queremos algo que se estire muy bien y que pueda girar y retorcerse, como la electrónica para llevar puesta: lo que podemos hacer es diseñar el polímero de modo que tengamos flexibilidad mecánica con ese material", explica la primera autora, Priyadarshini Mirmira, doctora de 24 años.
Unir las corrientes
En la actualidad, la fabricación de materiales híbridos implica dos corrientes de síntesis. Los materiales inorgánicos y poliméricos se fabrican por separado, aunque ambos se sinteticen al mismo tiempo.
Es una molestia en el laboratorio, pero un obstáculo económico a las escalas de producción masiva que requiere la industria.
"Desde el punto de vista industrial, es muy difícil y caro tratar de ampliarlo", explica Mirmira. "Si se pueden fabricar los dos en una sola olla, se reduce la mano de obra necesaria para fabricar el material híbrido".
Mezclar materiales sintéticos de alta tecnología tiene los mismos problemas que mezclar harina de avena: los grumos. Una mezcla grumosa se traduce en baterías ineficaces, selladores apelmazados y componentes electrónicos menos útiles.
"He hecho el polvo, la cerámica, he hecho el polímero, déjame mezclarlos", dice Amanchukwu. "El reto es ¿qué es una buena mezcla? ¿Quieres una buena mezcla? ¿No? ¿Se aglomeran las partículas? ¿No?".
No sólo hacer los materiales juntos en una olla crea una mezcla física perfecta, sino que el equipo también vio que algunos materiales se unían químicamente.
"En algunas combinaciones del precursor inorgánico y el precursor polimérico vimos indicios de reticulación, es decir, un enlace químico entre el inorgánico y el polimérico", explica Amanchukwu. "Es una nueva química de materiales que nos entusiasmó".
Múltiples aplicaciones
El artículo se centra en las baterías de litio, que son las más comunes en vehículos eléctricos, redes de almacenamiento y otras aplicaciones. Pero la técnica también puede aplicarse a las baterías de sodio, que se perfilan como una alternativa menos costosa y más abundante al litio.
"En realidad, se trata de cambiar uno de los reactivos del inorgánico para que también pueda aplicarse a una célula de batería de sodio", explica Mirmira.
Ampliar el proceso de una sola olla hasta los niveles necesarios para la fabricación industrial requerirá "afinar un par de mandos diferentes", dijo Mirmira. Para empezar, el proceso debe estar totalmente exento de aire, procesado con argón u otro gas inerte. Esto es más fácil de mantener en el laboratorio que en una fábrica.
En segundo lugar, la olla se calienta. Llegar a niveles industriales exigirá un ajuste preciso: el recipiente tiene que calentarse lo suficiente para sintetizar el polímero, pero no tanto como para superar la temperatura de degradación de los materiales.
"Cuando se amplíe la reacción, habrá más material y el recipiente se calentará aún más", explica Mirmira. "Así que hay que preocuparse por el control de la temperatura".
Una vez superados estos obstáculos, la investigación permitirá crear híbridos perfectos y homogéneos de forma económica y químicamente eficiente.
"Ese tipo de control de la capacidad de tener un material polimérico inorgánico totalmente integrado era un reto que intentábamos resolver, y algo bastante genial que pudimos lograr", dijo Mirmira.
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