Transformar residuos vegetales en baterías seguras de nueva generación
Un hidrogel vegetal domina las dendritas de zinc y lleva las pilas acuosas más allá de los 1.000 ciclos estables
Las pilas acuosas de iones de zinc prometen un almacenamiento de energía seguro y barato, pero el zinc metálico forma dendritas en forma de aguja que cortocircuitan las células en unos pocos cientos de ciclos. Ahora, un hidrogel puramente vegetal parece resolver el problema sin recurrir a aditivos tóxicos ni a costosas cerámicas.
El equipo disolvió celulosa microcristalina en un baño helado de álcali y urea y, a continuación, cosió el polímero con bórax para formar la red primaria. En este andamiaje incrustaron nanofibras de celulosa oxidadas con TEMPO, filamentos en forma de cinta de 3 nm de grosor y cientos de nanómetros de longitud que contienen densos grupos carboxilo. Las nanofibras actúan a la vez como barras de refuerzo mecánico y como vías expresas iónicas: las simulaciones de dinámica molecular muestran que la difusión de Zn2+ a lo largo del compuesto asciende a 4,59 × 10-4 m2 s-1, casi el doble que la de la celulosa simple.
Los ensayos mecánicos revelan que la película optimizada, de sólo 1 mm de grosor, alcanza una resistencia a la tracción de 0,57 MPa tras sumergirla en 2 M de ZnSO4, cuatro veces más dura que la de celulosa, pero transparente en un 62 %. Las células simétricas de Zn//Zn sometidas a ciclos de 0,5 mA cm-2 sobreviven 100 h sin caídas bruscas de tensión, mientras que los separadores comerciales de fibra de vidrio fallan tras 120 h. Incluso a 10 mA cm-2, el hidrogel aguanta 650 h, y una prueba en horno a 45 °C muestra una vida útil cuatro veces superior a la del líquido de referencia.
Cuando se emparejan con un cátodo de V2O5 pretratado con NaCl, las células completas suministran 237 mAh g-1 a 0,2 A g-1 y mantienen el 79,9 % de su capacidad tras 1 000 ciclos a 1 A g-1; los electrolitos líquidos se desvanecen hasta el 69,4 %. Las imágenes de AFM post-mortem muestran que la superficie de zinc protegida se mantiene lisa (Ra ≈ 52 nm), mientras que en la homóloga líquida crecen nódulos dendríticos rugosos (Ra ≈ 108 nm).
Y lo que es más importante, el material está diseñado para su fabricación en el mundo real. Todos los ingredientes -polvo de celulosa, pulpa de bambú, bórax y ZnSO4- son productos químicos básicos, y el gel puede moldearse en rollos, como en la fabricación de papel. Según los cálculos, 1 cm2 de biogel sólo cuesta el 8% de un separador comercial de fibra de vidrio, mientras que la digestión con celulasa lo elimina en cuatro horas, lo que ofrece una vía de eliminación de la que carecen las membranas convencionales.
Las celdas de bolsa flexibles construidas con el electrolito siguen alimentando un temporizador cuando se doblan a 90º con un peso de 2 kg, lo que sugiere su uso en prendas de vestir o textiles electrónicos. Los autores afirman que la misma química de reticulación debería funcionar con sales de sodio o aluminio, ampliando potencialmente el dividendo de sostenibilidad a otras químicas posteriores al litio.
Los organismos chinos de financiación respaldan los ensayos de ampliación, por lo que parece que el hidrogel de celulosa saldrá del laboratorio y entrará en las líneas piloto de recubrimiento, convirtiendo abundantes residuos vegetales en el guardián silencioso de la próxima generación de baterías seguras.
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