Los investigadores proponen un atractivo material orgánico barato para las baterías

Un nuevo informe de científicos de Skoltech y sus colegas describe un material orgánico para la nueva generación de dispositivos de almacenamiento de energía, cuya estructura sigue un elegante principio de diseño molecular. Se ha publicado recientemente en ACS Applied Energy Materials y ha sido portada de la revista.

Aunque el mundo moderno depende cada vez más de los dispositivos de almacenamiento de energía, cada vez es más importante aplicar tecnologías de baterías sostenibles que sean más respetuosas con el medio ambiente, sean fáciles de eliminar, dependan sólo de elementos abundantes y sean baratas. Las baterías orgánicas son candidatas deseables para tales fines. Sin embargo, los materiales orgánicos para cátodos que almacenan mucha energía por unidad de masa, pueden cargarse rápidamente, son duraderos y pueden producirse fácilmente a gran escala al mismo tiempo, siguen estando poco desarrollados.

Para solucionar este problema, los investigadores de Skoltech propusieron una sencilla poliimida redox-activa. Se sintetizó calentando una mezcla de un dianhídrido aromático y meta-fenilendiamina, ambos reactivos de fácil acceso. El material mostró características prometedoras en varios tipos de dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías de litio, sodio y potasio. Presentaba altas capacidades específicas (hasta ~140 mAh/g), potenciales redox relativamente altos, así como una buena estabilidad cíclica (hasta 1000 ciclos) y capacidad de carga rápida (<1 minuto).

Los rendimientos energéticos y de potencia del nuevo material eran superiores a los de su isómero conocido hasta ahora, derivado de la parafenilendiamina. Con la ayuda de colaboradores del Instituto de Problemas de Física Química de la Academia Rusa de Ciencias, se demostró que había dos razones para el mejor rendimiento de la nueva poliimida. En primer lugar, tenía partículas más pequeñas y una superficie específica mucho mayor, lo que permitía una difusión más fácil de los portadores de carga. En segundo lugar, la disposición espacial de las unidades de imida vecinas en el polímero permitía una unión energéticamente más favorable de los iones metálicos, lo que aumentaba los potenciales redox.

"Este trabajo es interesante no sólo porque se haya investigado otro material orgánico para cátodos", -dice Roman Kapaev, estudiante de doctorado del Skoltech que diseñó este estudio- "Lo que proponemos es un nuevo principio de diseño molecular para las poliimidas de las baterías, que consiste en utilizar moléculas aromáticas con grupos amino en posiciones meta como bloques de construcción". Durante mucho tiempo, los científicos han prestado poca atención a este motivo estructural y han utilizado en su lugar parafenilendiamina o estructuras similares. Nuestros resultados son una buena pista para entender cómo deben diseñarse las poliimidas de las baterías a nivel molecular, y podría conducir a materiales de cátodo con características aún mejores".