Las baterías de agua pueden ser una alternativa al litio

Las baterías de agua sin metales son únicas y completamente diferentes de las que utilizan cobalto en su forma de iones de litio. El interés del grupo de investigación en este tipo de baterías surge del deseo de tener un mayor control sobre la cadena de suministro nacional, ya que el cobalto y el litio suelen obtenerse de otros países. Además, una química más segura de las baterías podría prevenir posibles incendios.

Profesor de ingeniería química dr. Jodie Lutkenhaus y el profesor asistente de química Dr. Daniel Tabor publicó sus hallazgos sobre las baterías sin litio en la revista Nature Materials.

"No habría más incendios de baterías porque todo es a base de agua", afirmó Lutkenhaus. Si la esperada escasez de materiales ocurre en el futuro, es probable que el precio de las baterías de iones de litio aumente. Si tenemos una batería alternativa, podemos recurrir a esta composición química, donde el suministro es mucho más estable, porque podemos fabricarlas en los Estados Unidos de América y los materiales para fabricarlas están disponibles aquí".

Lutkenhaus dijo que las baterías de agua constan de un cátodo, un electrolito y un ánodo. Los cátodos y ánodos son polímeros que pueden almacenar energía y el electrolito es agua mezclada con sales orgánicas. El electrolito es clave para la conductividad iónica y el almacenamiento de energía mediante la interacción con el electrodo.

»Če electrodo durante sus ciclos tambiénč se hincha, entonces no puede transferir electrones muy bien y pierdes todo tu rendimiento'', dijo. "Creo que hay una diferencia del 1.000 por ciento en la capacidad de almacenamiento de energía dependiendo de la elección del electrolito debido a los efectos de hinchazón".

Según su artículo, los polímeros radicales no conjugados (electrodos) con actividad redox son candidatos prometedores para baterías de agua sin metales debido al alto voltaje de descarga de los polímeros y a su rápida cinética redox. La reacción es compleja y difícil de resolver debido a la transferencia simultánea de electrones, iones y moléculas de agua.

El grupo de investigación de Tabor complementó los esfuerzos experimentales con simulaciones y análisis por ordenador. Las simulaciones permitieron conocer la imagen molecular microscópica de la estructura y la dinámica.

“La teoría y la experimentación a menudo trabajan estrechamente para comprender estos materiales. Una de las cosas nuevas que hacemos computacionalmente en este artículo es cargar el electrodo a más de estado de carga y vemos cómo el entorno responde a esa carga", dijo Tabor.

Los investigadores observaron macroscópicamente si el cátodo de la batería funcionaba mejor en presencia de ciertos tipos de sal midiendo con precisión cuánta agua y sal entraba en la batería durante el funcionamiento.

"Hicimos esto para explicar lo que observamos experimentalmente", dijo. "Ahora nos gustaría ampliar nuestras simulaciones a sistemas futuros. Teníamos que confirmar nuestra teoría sobre cuáles son las fuerzas que impulsan dicha inyección de agua y disolvente".

“Con esta nueva tecnología de almacenamiento de energía, estamos un paso más cerca de las baterías sin litio. A nivel molecular, tenemos una mejor idea de por qué algunos electrodos de batería funcionan mejor que otros, y esto nos proporciona pruebas sólidas y orientación sobre cómo avanzar en el diseño de materiales", afirmó Tabor.