Nuevos éxitos de investigación en el camino hacia la súper batería

Primer descubrimiento de agentes de supresión de oxígeno singlete en baterías de oxígeno de litio

26.04.2019

© Freunberger – TU Graz

La formación de oxígeno singlete (1O2) perjudica la estabilidad del ciclo de muchos cátodos de metal alcalino como el cátodo Li-O2. En la revista Angewandte Chemie, Freunberger presenta un extintor de 1O2 eficiente y estable de alto voltaje. Muestra que el extintor reduce masivamente las reacciones laterales relacionadas con el 1O2. Los extintores estables de alto voltaje son relevantes para controlar la reactividad interfacial relacionada con 1O2 y la estabilidad a largo plazo de muchos cátodos.

Desde 2012, Stefan Freunberger, del Instituto de Tecnologías Químicas de Materiales de la Universidad Politécnica de Graz, trabaja en el desarrollo de una nueva generación de baterías más potentes, duraderas y baratas de producir que los modelos actuales. Freunberger ve un gran potencial en las baterías de litio y oxígeno. En el curso de su investigación, el científico descubrió paralelismos entre el envejecimiento celular en los organismos vivos y en las baterías en 2017. En ambos casos, el oxígeno singlete altamente reactivo es responsable del proceso de envejecimiento. Esto se produce durante el proceso de descarga y carga de las baterías de litio y oxígeno y ha sido un elemento central de la investigación de Freunberger en los últimos años. En las revistas Nature Communications y Applied Chemistry, el investigador de Graz muestra por primera vez formas de minimizar los efectos negativos del oxígeno singlete.

Mediadores redox estables como clave para la eficiencia energética

En comunicaciones de naturaleza En colaboración con investigadores de Corea y EE.UU., Freunberger describe la influencia del oxígeno singlete sobre los llamados mediadores redox, que pueden ser reversiblemente reducidos y oxidados. Estos mediadores son esenciales para el flujo de electrones entre el circuito exterior y el material de almacenamiento de carga en las baterías de oxígeno y determinan significativamente su rendimiento. El principio de los mediadores también se copia de la naturaleza, donde cumplen varias funciones en las células vivas, como la conducción de estímulos y la producción de energía. "Hasta ahora se ha supuesto que los mediadores redox son desactivados por superóxidos y peróxidos. Sin embargo, nuestras investigaciones muestran que el oxígeno singlete es responsable de esto", dijo Freunberger.

Utilizando los llamados cálculos de la teoría funcional de la densidad, los científicos pudieron explicar por qué algunas clases de mediadores son más resistentes al oxígeno singlete que otras. También identificaron las rutas más probables de ataque de oxígeno singlete. Este conocimiento ayuda en el desarrollo de nuevos mediadores redox estables. "Cuanto más estables sean los mediadores, más eficientes, reversibles y duraderas serán las baterías", explica Freunberger.

DABCOnium protege eficazmente contra el oxígeno singlete

Además de desactivar los mediadores redox, el oxígeno singlete también es responsable de las reacciones químicas parasitarias que reducen la duración de la batería y el rendimiento de la carga. Por ello, Freunberger buscaba un extintor ideal que convirtiera el oxígeno singlete en oxígeno trillizo inofensivo, tal y como ocurre en el aire, y se inspiró en la biología: "En las células vivas, una enzima llamada superóxido dismutasa impide la formación de oxígeno singlete. Utilicé DABCOnio, una sal del compuesto orgánico de nitrógeno DABCO, en mis experimentos". Se trata de un aditivo electrolítico que es mucho más estable a la oxidación que los extintores conocidos anteriormente y es compatible con el metal de litio en el electrodo negativo. Por primera vez, Freunberger fue capaz de diseñar la carga de las células de oxígeno de litio para que estuvieran en gran medida libres de reacciones secundarias, sin reacciones parasitarias.

Sin embargo, el oxígeno Singluett no sólo es problemático en las baterías de oxígeno, sino también en los últimos desarrollos de las baterías de iones de litio, como Freunberger pudo demostrar el año pasado. Por lo tanto, los extintores también son relevantes para ellos. Freunberger ha publicado detalles sobre este extintor de oxígeno singlete en la revista Química Aplicada publicado.

La combinación de mediador y extintor forma una condición ideal

En el siguiente paso, Freunberger ahora quiere combinar los resultados y desarrollar una nueva clase de mediadores. Por un lado, debe ser particularmente resistente a los ataques del oxígeno singlete, pero también debe ser capaz de extinguirlo por sí mismo, es decir, combatirlo eficazmente. Esto extendería dramáticamente la vida útil de las baterías de litio y oxígeno y maximizaría la eficiencia energética.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.

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