La batería del futuro será sin litio y llevará agua

Investigadores de la Universidad Texas A&M han descubierto una diferencia del 1000% en la capacidad de almacenamiento de los electrodos de batería a base de agua y libres de metales.

Estas baterías son diferentes de las baterías de iones de litio que contienen cobalto. El objetivo de investigar baterías libres de metales se deriva de tener un mejor control sobre la cadena de suministro, ya que se subcontratan el cobalto y el litio. Esta química más segura también evitaría incendios de baterías.

La profesora de ingeniería química, la Dra. Jodie Lutkenhaus, y el profesor asistente de química, el Dr. Daniel Tabor, han publicado sus hallazgos sobre las baterías sin litio en Nature Materials .

“Ya no habría incendios de baterías porque es a base de agua”, dijo Lutkenhaus. “En el futuro, si se prevé escasez de materiales, el precio de las baterías de iones de litio aumentará considerablemente. Si tenemos esta batería alternativa, podemos recurrir a esta química, donde el suministro es mucho más estable porque podemos fabricarlos aquí en los Estados Unidos y los materiales para hacerlos están aquí”.

Baterías acuosas

Lutkenhaus dijo que las baterías acuosas consisten en 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 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, entonces no puede conducir los electrones muy bien y se pierde todo el 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 hinchamiento".

Según su artículo, los polímeros (electrodos) de radicales no conjugados y activos redox son candidatos prometedores para las 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-/kosmotrópico variable utilizando una microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo con monitoreo de disipación en un rango de escalas de tiempo”, dicen los investigadores en el artículo.

Simulaciones

El grupo de investigación de Tabor complementó los esfuerzos experimentales con análisis y simulación computacional. Las simulaciones dieron una idea de la imagen microscópica a escala molecular de la estructura y la dinámica.

“La teoría y el experimento a menudo trabajan en estrecha colaboración para comprender estos materiales. Una de las cosas nuevas que hacemos computacionalmente en este documento es que en realidad cargamos el electrodo a múltiples estados de carga y vemos cómo responde el entorno a esta carga”, dijo Tabor.

Los investigadores observaron macroscópicamente si el cátodo de la batería funcionaba mejor en presencia de ciertos tipos de sales al medir exactamente la cantidad de agua y sal que entra en la batería mientras está en funcionamiento.

“Nos gustaría expandir nuestras simulaciones a sistemas futuros. Necesitábamos confirmar nuestra teoría de cuáles son las fuerzas que impulsan ese tipo de inyección de agua y solvente”, dijo Tabor.

“Con esta nueva tecnología de almacenamiento de energía, esto es un impulso hacia las baterías sin litio. Una mejor imagen a nivel molecular de lo que hace que algunos electrodos de batería funcionen mejor que otros, y esto nos brinda una fuerte evidencia de hacia dónde avanzar en el diseño de materiales".

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.