El profesor de ingeniería química Dr. Jodie Lutkenhaus y el profesor asistente de química Dr. Daniel Tabor descubrió una importante capacidad de almacenamiento en baterías a base de agua. Crédito: Ingeniería de Texas A&M
Los investigadores de Texas A&M descubrieron un aumento significativo en la capacidad de almacenamiento de los electrodos de batería a base de agua.
Los científicos de la Universidad Texas A&M descubrieron una diferencia del 1000 % en la capacidad de almacenamiento de los electrodos de batería sin metal y a base de agua.
Las baterías a base de agua sin metal son exclusivas de aquellas que usan cobalto en su forma de iones de litio. El enfoque del grupo de investigación en este tipo de batería surge del deseo de un mayor control sobre la cadena de suministro nacional, ya que el cobalto y el litio se obtienen comúnmente fuera del país. Además, la química de la batería más segura puede prevenir incendios.
El profesor de ingeniería química Dr. Jodie Lutkenhaus y el profesor asistente de química Dr. Daniel Tabor publicó sus hallazgos sobre baterías sin litio en Nature Materials.
«No habría más incendios de baterías porque es a base de agua», dijo Lutkenhaus. “En el futuro, si se proyecta escasez de material, el precio de las baterías de iones de litio aumentará. Si tenemos esta batería alternativa, podemos recurrir a esa química, donde el suministro es mucho más estable porque podemos fabricarla aquí en los Estados Unidos y los materiales para fabricarla están aquí”.
Lutkenhaus dijo que las baterías acuosas constan de un cátodo, un electrolito y un ánodo. Los cátodos y ánodos son polímeros que pueden almacenar energía, y el electrolito es agua mezclada con sales orgánicas. El electrolito es la clave para la conducción de iones y el almacenamiento de energía a través de sus interacciones con el electrodo.
“Si un electrodo se hincha demasiado durante el ciclo, no puede conducir los electrones muy bien y pierde todo su rendimiento”, dijo. “Creo que hay una diferencia del 1000 % en la capacidad de almacenamiento de energía dependiendo de la elección del electrolito debido a los efectos de la hinchazón”.
Según su artículo, los polímeros de radicales activos redox no conjugados (electrodos) son candidatos prometedores para baterías acuosas libres de metales debido al alto voltaje de descarga de los polímeros y la rápida cinética redox. La reacción es compleja y difícil de resolver debido a la transferencia simultánea de electrones, iones y moléculas de agua.
«Demostramos la naturaleza de la reacción redox mediante el examen de electrolitos acuosos de carácter cao-/cosmotrópico variable utilizando microbalanzas electroquímicas de cristal de cuarzo con control de disipación en una variedad de escalas de tiempo», según los investigadores del artículo.
El grupo de investigación de Tabor complementó los esfuerzos experimentales con simulación y análisis por computadora. Las simulaciones proporcionaron información sobre la estructura y la dinámica a escala molecular microscópica.
“La teoría y el experimento a menudo trabajan juntos para comprender estos materiales. Una de las cosas nuevas que hacemos computacionalmente en este documento es que en realidad cargamos el electrodo en varios estados de carga y vemos cómo responde el entorno a esa carga», dijo Tabor.
Los investigadores observaron macroscópicamente si el cátodo de la batería funcionaba mejor en presencia de ciertos tipos de sales, midiendo exactamente la cantidad de agua y sal que entraba en la batería mientras estaba en funcionamiento.
«Hicimos esto para explicar lo que se observó experimentalmente», dijo. “Ahora nos gustaría expandir nuestras simulaciones a sistemas futuros. Necesitábamos confirmar nuestra teoría de cuáles son las fuerzas que impulsan este tipo de inyección de agua y disolvente.
“Con esta nueva tecnología de almacenamiento de energía, este es un gran avance para las baterías sin litio. Tenemos una mejor imagen a nivel molecular de lo que hace que algunos electrodos de batería funcionen mejor que otros, y eso nos da una fuerte evidencia de hacia dónde avanzar en el diseño de materiales”, dijo Tabor.
Referencia: «El papel del electrolito en polímeros radicales no conjugados para electrodos de almacenamiento de energía acuosos libres de metales» por Ting Ma, Cheng-Han Li, Ratul Mitra Thakur, Daniel P. Tabor y Jodie L. Lutkenhaus, 27 de marzo de 2023 , Materiales de la Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01518-z
El proyecto está financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias a través de la Estación Experimental de Ingeniería de Texas A&M.
