Fabrican baterías recargables de cloro que almacenan seis veces más carga

Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Stanford ha desarrollado baterías recargables que pueden almacenar hasta seis veces más carga que las que están actualmente disponibles comercialmente.

El avance, que se detalla en un nuevo artículo publicado el 25 de agosto en la revista Nature, podría acelerar el uso de baterías recargables y acerca a los investigadores de baterías un paso más hacia el logro de dos objetivos principales establecidos en su campo: crear una batería recargable de alto rendimiento que pueda permiten que los teléfonos móviles se carguen solo una vez a la semana en lugar de a diario y los vehículos eléctricos que pueden viajar seis veces más sin una recarga.

Las nuevas llamadas baterías de cloro de metal alcalino, desarrolladas por un equipo de investigadores dirigido por el profesor de química de Stanford Hongjie Dai y el candidato a doctorado Guanzhou Zhu, se basan en la conversión química de ida y vuelta de cloruro de sodio (Na / Cl 2 ) o cloruro de litio (Li / Cl 2 ) a cloro.

Cuando los electrones viajan de un lado a otro de una batería recargable, la recarga revierte la química a su estado original para esperar otro uso. Las baterías no recargables no tienen tanta suerte. Una vez drenados, su química no se puede restaurar.

“Una batería recargable es un poco como una mecedora. Se inclina en una dirección, pero luego se balancea hacia atrás cuando agrega electricidad”, explicó Dai. "Lo que tenemos aquí es una mecedora alta".

Descubrimiento fortuito

La razón por la que nadie había creado todavía una batería recargable de cloro de sodio o cloro de litio de alto rendimiento es que el cloro es demasiado reactivo y difícil de convertir de nuevo en un cloruro con alta eficiencia. En los pocos casos en que otros pudieron lograr un cierto grado de recarga, el rendimiento de la batería resultó pobre.

De hecho, Dai y Zhu no se propusieron crear una batería recargable de sodio y litio-cloro en absoluto, sino simplemente mejorar sus tecnologías de batería existentes utilizando cloruro de tionilo. Esta sustancia química es uno de los ingredientes principales de las baterías de cloruro de litio-tionilo, que son un tipo popular de batería de un solo uso inventado por primera vez en la década de 1970.

Pero en uno de sus primeros experimentos con cloro y cloruro de sodio, los investigadores de Stanford notaron que la conversión de una sustancia química a otra se había estabilizado de alguna manera, lo que resultó en cierta capacidad de recarga. "No pensé que fuera posible", dijo Dai. "Nos tomó al menos un año darnos cuenta de lo que estaba pasando".

Durante los siguientes años, el equipo dilucidó las químicas reversibles y buscó formas de hacerlo más eficiente experimentando con muchos materiales diferentes para el electrodo positivo de la batería. El gran avance se produjo cuando formaron el electrodo utilizando un material de carbono poroso avanzado de los colaboradores, el profesor Yuan-Yao Li y su alumno Hung-Chun Tai de la Universidad Nacional Chung Cheng de Taiwán.

El material de carbono tiene una estructura de nanoesferas llena de muchos poros ultra pequeños. En la práctica, estas esferas huecas actúan como una esponja, absorbiendo grandes cantidades de moléculas de cloro que de otro modo serían sensibles y almacenándolas para su posterior conversión en sal dentro de los microporos.

“La molécula de cloro queda atrapada y protegida en los diminutos poros de las nanoesferas de carbono cuando la batería está cargada”, explicó Zhu. “Luego, cuando es necesario drenar o descargar la batería, podemos descargar la batería y convertir el cloro en NaCl (sal de mesa) y repetir este proceso durante muchos ciclos. Actualmente, podemos realizar un ciclo de hasta 200 veces y todavía hay margen de mejora ".

El resultado es un paso hacia el anillo de latón del diseño de la batería: alta densidad de energía. Hasta ahora, los investigadores han logrado 1.200 miliamperios hora por gramo de material de electrodo positivo, mientras que la capacidad de la batería comercial de iones de litio en la actualidad es de hasta 200 miliamperios hora por gramo. "La nuestra tiene una capacidad al menos seis veces mayor", dijo Zhu.

Los investigadores imaginan que sus baterías algún día se usarán en situaciones en las que la recarga frecuente no es práctica o deseable, como en satélites o sensores remotos. Muchos satélites utilizables ahora están flotando en órbita, obsoletos debido a sus baterías agotadas. Los futuros satélites equipados con baterías recargables de larga duración podrían equiparse con cargadores solares, ampliando su utilidad muchas veces.

Sin embargo, por ahora, el prototipo funcional que han desarrollado aún podría ser adecuado para su uso en pequeños dispositivos electrónicos cotidianos como audífonos o controles remotos. Para la electrónica de consumo o los vehículos eléctricos, queda mucho más trabajo por diseñar en la estructura de la batería, aumentar la densidad de energía, escalar las baterías y aumentar el número de ciclos.