Por lo general, los metales se utilizan como materiales activos para los electrodos negativos en las baterías. Recientemente, se han utilizado moléculas orgánicas redox activas, como moléculas basadas en quinonas y aminas, como electrodos negativos en baterías de metal-aire recargables con electrodos positivos que reducen el oxígeno. En estas baterías, los protones e iones hidróxido participan en las reacciones redox. Dichas baterías presentan un alto rendimiento, cercano a la capacidad máxima teóricamente posible.
Además, el uso de moléculas orgánicas redox activas en baterías de aire recargables supera los problemas asociados con los metales, como la formación de estructuras llamadas «dendritas», que afectan el rendimiento de la batería y tienen un impacto ambiental negativo. Sin embargo, estas baterías utilizan electrolitos líquidos, al igual que las baterías basadas en metales, lo cual plantea importantes problemas de seguridad, como alta resistencia eléctrica, efectos de lixiviación e inflamabilidad.
Ahora, en un estudio reciente publicado en Angewandte Chemie International Edition, un grupo de investigadores japoneses ha desarrollado una batería de aire recargable completamente sólida (SSAB) e investigado su capacidad y durabilidad. El estudio fue liderado por el profesor Kenji Miyatake de la Universidad de Waseda y la Universidad de Yamanashi, y coautorizado por el profesor Kenichi Oyaizu de la Universidad de Waseda.
Los investigadores eligieron un compuesto químico llamado 2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona (DHBQ) y su polímero poli(2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona-3,6-metileno) (PDBM) como materiales activos para el electrodo negativo debido a sus reacciones redox estables y reversibles en condiciones ácidas. Además, utilizaron un polímero conductor de protones llamado Nafion como electrolito sólido, reemplazando así los electrolitos líquidos convencionales.
Según mi conocimiento, aún no se han desarrollado baterías de aire basadas en electrodos orgánicos y electrolitos poliméricos sólidos.
Kenji Miyatake
Una vez que se implementó la SSAB, los investigadores evaluaron experimentalmente su rendimiento de carga y descarga, características de velocidad y ciclabilidad. Descubrieron que, a diferencia de las baterías de aire típicas que utilizan un electrodo negativo metálico y un electrolito líquido orgánico, la SSAB no se deterioró en presencia de agua y oxígeno.
Además, reemplazar la molécula redox activa DHBQ por su contraparte polimérica PDBM generó un electrodo negativo mejorado. Mientras que la capacidad de descarga por gramo de la SSAB-DHBQ fue de 29.7 mAh, el valor correspondiente de la SSAB-PDBM fue de 176.1 mAh, a una densidad de corriente constante de 1 mAcm-2.
Si bien la capacidad de descarga de la SSAB-PDBM se redujo al 44% después de 30 ciclos, al aumentar el contenido de polímero conductor de protones en el electrodo negativo, los investigadores pudieron mejorarla significativamente hasta el 78%. Imágenes microscópicas electrónicas confirmaron que la adición de Nafion mejoró el rendimiento y la durabilidad del electrodo basado en PDBM.
Este estudio demuestra el funcionamiento exitoso de una SSAB que comprende moléculas orgánicas redox activas como electrodo negativo, un polímero conductor de protones como electrolito sólido y un electrodo positivo de tipo difusión que reduce el oxígeno. Los investigadores esperan que esto abra camino para nuevos avances.
Esta tecnología puede prolongar la vida útil de dispositivos electrónicos pequeños, como los teléfonos inteligentes, y eventualmente contribuir a una sociedad libre de carbono.
Kenji Miyatake
Vía www.waseda.jp
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