Científicos del MIT desarrollan unos electrolitos que mejoran el rendimiento de los supercondensadores de las baterías

Los supercondensadores, dispositivos eléctricos que almacenan y liberan energía, necesitan una capa de electrolito, un material eléctricamente conductor que puede ser sólido, líquido o en algún punto intermedio. Ahora, los investigadores del MIT y varias otras instituciones han desarrollado una clase novedosa de líquidos que pueden abrir nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia y la estabilidad de dichos dispositivos al tiempo que reducen su inflamabilidad.

"Este trabajo de prueba de concepto representa un nuevo paradigma para el almacenamiento de energía electroquímica", dicen los investigadores en su artículo que describe el hallazgo, que aparece hoy en la revista Nature Materials.

Durante décadas, los investigadores han estado al tanto de una clase de materiales conocidos como líquidos iónicos, esencialmente, sales líquidas, pero este equipo ahora ha agregado a estos líquidos un compuesto que es similar a un surfactante, como los utilizados para dispersar los vertidos de petróleo. Con la adición de este material, los líquidos iónicos "tienen propiedades muy nuevas y extrañas", que incluyen volverse muy viscosos, según dice Xianwen Mao, del MIT, autor principal del artículo.

"Es difícil imaginar que este líquido viscoso pueda usarse para almacenar energía", dice Mao, "pero lo que encontramos es que una vez que elevamos la temperatura, puede almacenar más energía y más que muchos otros electrolitos".

Según explica, no es del todo sorprendente, ya que con otros líquidos iónicos, a medida que aumenta la temperatura, "disminuye la viscosidad y aumenta la capacidad de almacenamiento de energía". Pero en este caso, aunque la viscosidad se mantiene más alta que la de otros electrolitos conocidos, la capacidad aumenta muy rápidamente al aumentar la temperatura. Eso termina dando al material una densidad de energía general, una medida de su capacidad para almacenar electricidad en un volumen dado, que excede la de muchos electrolitos convencionales, y con una mayor estabilidad y seguridad.

La clave de su efectividad es la forma en que las moléculas dentro del líquido se alinean automáticamente, terminando en una configuración en capas en la superficie del electrodo de metal. Las moléculas, que tienen una especie de cola en un extremo, se alinean con las cabezas hacia afuera hacia el electrodo o lejos de él, y las colas se agrupan en el medio, formando una especie de sándwich. Esto se describe como una nanoestructura autoensamblada.

"La razón por la que se comporta de manera tan diferente" de los electrolitos convencionales se debe a la forma en que las moléculas se ensamblan intrínsecamente en una estructura ordenada en capas donde entran en contacto con otro material, como el electrodo dentro de un supercondensador, dice T. Alan Hatton , profesor de ingeniería química en el MIT y autor principal del artículo. "Forma una estructura de doble capa muy interesante, parecida a un sándwich".

Esta estructura altamente ordenada ayuda a prevenir un fenómeno llamado "sobrepantallamiento" que puede ocurrir con otros líquidos iónicos, en los que la primera capa de iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) que se acumulan en la superficie de un electrodo contiene más iones que las cargas correspondientes de la superficie.

Esto puede causar una distribución más dispersa de iones, o una multicapa de iones más gruesa, y por lo tanto una pérdida de eficiencia en el almacenamiento de energía, "mientras que, en nuestro caso, debido a la forma en que todo está estructurado, las cargas se concentran dentro de la capa superficial", dice Hatton.

La nueva clase de materiales, que los investigadores llaman SAIL, para líquidos iónicos tensioactivos, podría tener una variedad de aplicaciones para el almacenamiento de energía a alta temperatura, por ejemplo, para su uso en entornos calientes como en la perforación petrolífera o en plantas químicas, según Mao. "Nuestro electrolito es muy seguro a altas temperaturas e incluso funciona mejor", dice. Por el contrario, algunos electrolitos utilizados en las baterías de ion-litio son bastante inflamables.

El material podría ayudar a mejorar el rendimiento de los supercondensadores, dice Mao. Dichos dispositivos se pueden usar para almacenar carga eléctrica y, a veces, se usan para complementar los sistemas de baterías en vehículos eléctricos para proporcionar un impulso adicional de potencia.

El uso del nuevo material en lugar de un electrolito convencional en un supercondensador podría aumentar su densidad de energía en un factor de cuatro o cinco, dice Mao. Utilizando el nuevo electrolito, los futuros supercondensadores pueden incluso almacenar más energía que las baterías, dice, y potencialmente incluso reemplazar las baterías en aplicaciones como vehículos eléctricos, electrónica personal o instalaciones de almacenamiento de energía a nivel de red.

El material también podría ser útil para una variedad de procesos de separación emergentes, dice Mao. "Muchos procesos de separación recientemente desarrollados requieren control eléctrico", en diversas aplicaciones de procesamiento químico y refinación y en la captura de dióxido de carbono, por ejemplo, así como la recuperación de recursos de las corrientes de desechos. Estos líquidos iónicos, siendo altamente conductores, podrían ser adecuados para muchas de esas aplicaciones, dice.

El material que desarrollaron inicialmente es solo un ejemplo de una variedad de posibles compuestos SAIL. "Las posibilidades son casi ilimitadas", dice Mao. El equipo continuará trabajando en diferentes variaciones y en la optimización de sus parámetros para usos particulares. "Puede llevar algunos meses o años", dice, "pero trabajar en una nueva clase de materiales es muy emocionante. Hay muchas posibilidades para una mayor optimización”.

"Es un resultado muy emocionante que los líquidos iónicos tensioactivos (SAIL) con estructuras anfifílicas puedan autoensamblarse en superficies de electrodos y mejorar el rendimiento del almacenamiento de carga en superficies electrificadas", dice Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford. “Los autores han estudiado y entendido el mecanismo. El trabajo aquí podría tener un gran impacto en el diseño de supercondensadores de alta densidad de energía, y también podría ayudar a mejorar el rendimiento de las baterías”, dice.