17.11.2021 - Chinese Academy of Sciences

La química "antienvejecimiento" tomada de la naturaleza supera el deterioro de las baterías de litio de última generación

"Así que pensamos, ¿por qué no intentar replicar lo que ya hace la naturaleza y ponerlo dentro de una batería en su lugar?".

En el caso de las baterías de litio de alto voltaje que utilizan cátodos de óxido metálico de transición en capas, la degradación química de los electrolitos de la batería provoca un rápido deterioro de su capacidad, lo que plantea importantes problemas para las aplicaciones prácticas de esta posible nueva generación de baterías de litio.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Bioenergía y Bioprocesos de Qingdao (QIBEBT) de la Academia China de Ciencias (CAS) se han inspirado en el modo en que los organismos afrontan los efectos del envejecimiento del oxígeno altamente reactivo y los radicales libres para resolver este problema.

El estudio se publicó en el Journal of the American Chemical Society el 13 de octubre.

En el circuito eléctrico de una batería clásica, los electrodos -uno negativo (el cátodo) y otro positivo (el ánodo)- son los conductores que entran en contacto con la parte no metálica de un circuito (los electrolitos).

La degradación química de los electrolitos en las baterías de litio con óxidos de metales de transición se produce durante el ciclo del circuito por la oxidación del oxígeno altamente reactivo y por el ataque de los radicales libres, es decir, cualquier átomo, molécula o ion con un electrón de valencia (capa externa) no apareado.

Algunas estrategias destinadas a resolver el problema consisten sobre todo en ingeniosos trucos de ingeniería en la capa atómica superficial de los materiales, o en utilizar electrolitos sólidos en lugar de líquidos. El objetivo es crear una barrera física para ralentizar la velocidad de descomposición del electrolito. Pero ni siquiera la ralentización suprime sustancialmente su degradación química a lo largo del tiempo.

En la naturaleza, esta degradación se produce prácticamente en todas partes, ya que el oxígeno es uno de los elementos más capaces de atraer electrones de otros átomos y moléculas. Una manzana que se dora, un trozo de hierro que se oxida y la piel que envejece son, en parte, producto del "daño" de la oxidación. Y la naturaleza ha ideado todo tipo de soluciones para contrarrestar este problema. Los organismos suelen producir diferentes tipos de enzimas que trabajan para eliminar el oxígeno activo y los radicales libres para aliviar el problema.

"Así que pensamos, ¿por qué no intentar replicar lo que la naturaleza ya hace y ponerlo dentro de una batería?", dijo CUI Guanglei de QIBEBT, investigador principal del estudio.

Inspirándose en estos mecanismos de lucha contra el oxígeno de los organismos, los investigadores desarrollaron un fotoestabilizador, un aditivo aglutinante bastante sencillo y antienvejecimiento para el electrolito que puede eliminar los átomos de oxígeno singlete y los radicales libres que se producen.

Mediante investigaciones experimentales y cálculos teóricos, los investigadores descubrieron que este mecanismo bioinspirado de eliminación de oxígeno en baterías de litio basadas en óxidos de metales de transición estratificados ofrecía un rendimiento electroquímico superior, incluso a temperaturas elevadas.

"Esto anuncia un nuevo paradigma para manipular la química del cátodo y el electrolito de todo tipo de baterías recargables que impliquen la degradación química del electrolito", añadió el profesor CUI.

Tras el éxito del fotoestabilizador, los investigadores pretenden comercializar baterías de litio de alto voltaje basadas en cátodos de óxido estratificado con su aglutinante antienvejecimiento bioinspirado como la próxima generación de dispositivos de almacenamiento de energía más allá de la tecnología tradicional de iones de litio.

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