Un nuevo tipo de batería que puede cargarse diez veces más rápido que una batería de iones de litio creada
Además, es más seguro en cuanto a posibles riesgos de incendio y tiene un menor impacto medioambiental
Es difícil imaginar nuestra vida cotidiana sin las baterías de iones de litio. Dominan el mercado de las baterías de pequeño formato para dispositivos electrónicos portátiles, y también se utilizan habitualmente en los vehículos eléctricos. Al mismo tiempo, las baterías de iones de litio plantean una serie de problemas graves, entre ellos: un posible riesgo de incendio y la pérdida de rendimiento a bajas temperaturas, así como un considerable impacto ambiental de la eliminación de las baterías gastadas.
Representación simbólica de la fórmula química del nuevo polímero
Anatoliy A. Vereshchagin
Según el líder del equipo de investigadores, el profesor del Departamento de Electroquímica de la Universidad de San Petersburgo Oleg Levin, los químicos han estado explorando los polímeros redox-activos que contienen nitroxilo como materiales para el almacenamiento electroquímico de energía. Estos polímeros se caracterizan por una alta densidad energética y una rápida velocidad de carga y descarga gracias a su rápida cinética redox. Uno de los retos para la aplicación de esta tecnología es la insuficiente conductividad eléctrica. Esto impide la recogida de carga incluso con aditivos altamente conductores, como el carbono.
Buscando soluciones para superar este problema, los investigadores de la Universidad de San Petersburgo sintetizaron un polímero basado en el complejo níquel-saleno (NiSalen). Las moléculas de este metalopolímero actúan como un hilo molecular al que se adhieren los colgantes de nitroxilo, que consumen mucha energía. La arquitectura molecular del material permite alcanzar un alto rendimiento de capacidad en un amplio rango de temperaturas.
'Se nos ocurrió el concepto de este material en 2016. En ese momento, comenzamos a desarrollar un proyecto fundamental "Materiales de electrodos para baterías de iones de litio basados en polímeros organometálicos". Contó con una subvención de la Fundación Científica de Rusia. Al estudiar el mecanismo de transporte de carga en esta clase de compuestos, descubrimos que hay dos direcciones clave de desarrollo. En primer lugar, estos compuestos pueden utilizarse como capa protectora para cubrir el cable conductor principal de la batería, que de otro modo estaría fabricado con los materiales tradicionales de las baterías de iones de litio. Y en segundo lugar, pueden utilizarse como componente activo de los materiales de almacenamiento de energía electroquímica", explica Oleg Levin.
El desarrollo del polímero llevó más de tres años. En el primer año, los científicos probaron el concepto del nuevo material: combinaron componentes individuales para simular la columna vertebral conductora de la electricidad y los colgantes que contienen nitroxilos redox. Era esencial asegurarse de que todas las partes de la estructura funcionaran conjuntamente y se reforzaran entre sí. La siguiente etapa fue la síntesis química del compuesto. Fue la parte más difícil del proyecto. Esto se debe a que algunos de los componentes son extremadamente sensibles y hasta el más mínimo error de un científico puede provocar la degradación de las muestras.
De las diversas muestras de polímero obtenidas, sólo una resultó ser lo suficientemente estable y eficaz. La cadena principal del nuevo compuesto está formada por complejos de níquel con ligandos de sal. Un radical libre estable, capaz de una rápida oxidación y reducción (carga y descarga), se ha unido a la cadena principal mediante enlaces covalentes.
Una batería fabricada con nuestro polímero se carga en segundos, unas diez veces más rápido que una batería tradicional de iones de litio. Esto ya se ha demostrado mediante una serie de experimentos. Sin embargo, en esta fase, todavía está rezagada en términos de capacidad: entre un 30 y un 40% menos que en las baterías de iones de litio. Actualmente estamos trabajando para mejorar este indicador manteniendo la velocidad de carga-descarga", afirma Oleg Levin.
Ya se ha fabricado el cátodo de la nueva batería, un electrodo positivo para su uso en fuentes de corriente químicas. Ahora necesitamos el electrodo negativo, el ánodo. De hecho, no hay que crearlo desde cero, sino que se puede elegir entre los existentes. Juntos formarán un sistema que, en algunos ámbitos, podría sustituir pronto a las baterías de iones de litio.
La nueva batería es capaz de funcionar a bajas temperaturas y será una excelente opción cuando la carga rápida sea crucial. Su uso es seguro: no hay nada que pueda suponer un peligro de combustión, a diferencia de las baterías basadas en cobalto que están muy extendidas hoy en día. También contiene muchos menos metales que puedan causar daños al medio ambiente. El níquel está presente en nuestro polímero en una pequeña cantidad, pero es mucho menos que en las baterías de iones de litio", afirma Oleg Levin.
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