Red Mundial de Universidades. Almacenamiento de energía de alta capacidad basado en materiales asequibles y ecológicos
La mayoría de los dispositivos de almacenamiento de energía utilizan metales de transición tóxicos y caros como materiales de electrodo. Las baterías de iones de litio se basan en metales como el cobalto y el níquel, conocidos por provocar irritaciones cutáneas, alergias e incluso cáncer.
Científicos de la Red Mundial de Universidades se han embarcado en un proyecto de investigación para desarrollar materiales de electrodos conductores con cantidades muy bajas de metales tóxicos. Han sintetizado materiales poliméricos porosos basados en componentes abundantes y respetuosos con el medio ambiente como electrodos de baterías. También han diseñado materiales funcionales iónico-conductores como electrolitos de estado sólido para mejorar el rendimiento electroquímico.
Su resultado clave fue el desarrollo de un material de electrodo orgánico de molécula pequeña hexaazatrianthranylene (HATA) de quinona conjugada (HATAQ). Al introducir elementos conjugados de quinona en el núcleo derivado del hexaazatrifenileno, deficiente en electrones, el HATAQ, con una conjugación π muy extendida, demostró su potencial para producir una capacidad muy elevada de almacenamiento de iones metálicos.
“Los materiales orgánicos para electrodos presentan muchas ventajas, como su bajo costo y su respeto por el medio ambiente”, explica el profesor Watchareeya Kaveevivitchai, de la Universidad Nacional Cheng Kung (NCKU) de Taiwán. “También contienen un gran número de sitios activos redox capaces de experimentar un proceso de transferencia multielectrón a un potencial redox que, si se ajusta adecuadamente, puede dar lugar a una alta densidad de energía”.
Inspirados por el excelente rendimiento electroquímico del HATAQ en baterías de iones de litio, los investigadores han estudiado el compuesto como cátodo en otros sistemas de baterías recargables conocidos por ser más seguros y baratos, como los basados en sodio, zinc y otros multivalentes.
Concretamente, en pilas recargables acuosas de iones de zinc con una solución 1 M de ZnSO4 como electrolito, el gran número de sitios activos redox y la conjugación ampliada permitieron a HATAQ ofrecer una capacidad ultraalta de 492 mAh g-1 a 50 mA g-1 y una excelente capacidad de tasa de hasta 20 A g-1 con una capacidad reversible de 199 mAh g-1 correspondiente a una retención del 99 por ciento tras 1.000 ciclos.
Los investigadores afirman que el rendimiento de HATAQ es uno de los mejores jamás registrados en pilas acuosas de iones de zinc. Los resultados se exponen en el artículo “Proton-enabled biomimetic stabilization of small-molecule organic cathode in aqueous zinc-ion batteries” (Estabilización biomimética por protones de cátodos orgánicos de moléculas pequeñas en pilas acuosas de iones de zinc), publicado recientemente en Journal of Materials Chemistry A.
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