Científicos chinos han encontrado una manera de hacer que las baterías sean más eficientes: utilizando agua
Investigadores chinos han encontrado una manera de hacer que las baterías acuosas sean más densas en energía agregando bromuro a la solución electrolítica.
Investigadores chinos afirman que un nuevo diseño de batería a base de agua es más seguro y más eficiente energéticamente que las baterías tradicionales de iones de litio.
La batería de agua tiene una vida útil de más de 1.000 ciclos de carga y descarga, informó el equipo el 23 de abril en la revista Nature Energy.
Una de las propiedades más importantes de cualquier batería es la densidad de energía: cuánta energía contiene la batería en relación con su tamaño o peso. Las baterías de iones de litio tienen una densidad energética especialmente alta y se utilizan ampliamente en coches eléctricos y dispositivos portátiles. Sin embargo, el componente líquido, conocido como electrolito, normalmente contiene sustancias químicas orgánicas que pueden incendiarse o explotar si el sistema se sobrecalienta.
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Por el contrario, las baterías a base de agua son mucho más seguras pero generalmente tienen una menor densidad de energía gracias a la estrecha ventana de voltaje en la que operan. Sin embargo, al piratear la química que tiene lugar dentro del electrolito de agua, el equipo de Li ha aumentado drásticamente tanto la densidad de energía como el rendimiento general de las baterías acuosas.
Las soluciones de electrolitos son en realidad una mezcla de muchos productos químicos diferentes, cada uno de los cuales controla un aspecto diferente del rendimiento de la batería. Los aditivos llamados mediadores ayudan a mover electrones a través de la solución al sufrir una serie de reacciones de oxidación y reducción (redox).
Para las baterías acuosas, el mediador más común es el yodo: a través de una secuencia de reacciones redox individuales, este elemento halógeno puede transferir hasta seis electrones por ciclo, convirtiendo el yoduro (I-) en yodato (IO3-). Sin embargo, las velocidades de reacción lentas y los subproductos no deseados significan que este aditivo generalmente da como resultado una batería de baja densidad energética.
Para mejorar la eficiencia de esta secuencia redox mediadora (y por lo tanto la densidad de energía general), Xianfeng Li de la Academia China de Ciencias y sus colegas desarrollaron un electrolito halógeno mixto, que contiene tanto I- como bromuro (Br -) iones en una solución ácida. La introducción del bromo, otro elemento halógeno capaz de transferir electrones, proporcionó un trampolín para esta difícil química, aumentando la velocidad de reacción y suprimiendo la formación de subproductos molestos.
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Mediante análisis electroquímicos y espectroscópicos detallados, el equipo demostró que los iones bromuro participaban en las reacciones redox junto con el yoduro, formando un intermedio vital y aumentando la velocidad y eficiencia de la secuencia de transferencia de electrones.
Luego, los investigadores comenzaron una serie de experimentos para evaluar el impacto de este electrolito "heterohalógeno" en el rendimiento general de varios tipos de baterías comunes utilizando diferentes materiales como terminales negativos (ánodos).
El nuevo electrolito casi duplicó la densidad de energía en comparación con las baterías de iones de litio estándar cuando se usa con ánodos de cadmio, que generalmente se encuentran en dispositivos portátiles de alta energía, como herramientas eléctricas. . Mientras tanto, los sistemas de vanadio, que a menudo están conectados a plantas de energía y generadores de energía renovable para el almacenamiento de energía en la red, demostraron una vida útil particularmente larga, manteniendo un rendimiento máximo durante más de 1.000 ciclos de carga y descarga.
En ambos casos, el equipo informó mejoras en la eficiencia energética y calculó que el sistema heterohalógeno acuoso sería rentable en comparación con las tecnologías actuales de iones de litio.
El equipo espera que esta mejora sustancial del rendimiento conduzca a un uso más amplio de baterías a base de agua como una alternativa más segura y de alta densidad energética a los sistemas existentes.