Es difícil imaginar nuestra vida diaria sin batería de iones de litio. Domina el mercado de baterías de pequeño formato para dispositivos electrónicos portátiles y también se utiliza comúnmente en vehículos eléctricos.
Al mismo tiempo, la batería de iones de litio tiene una serie de problemas graves, entre los que destaca un posible peligro de incendio y pérdida de rendimiento a bajas temperaturas, así como un impacto medioambiental considerable por la eliminación de sus baterías ya gastadas.
El profesor Oleg Levin, coordinador de este equipo de investigadores que trabaja en el Departamento de Electroquímica de la Universidad de San Petersburgo, detalla que han estado explorando polímeros que contienen nitroxilo con actividad redox, como materiales para el almacenamiento de energía electroquímica.
Estos polímeros se caracterizan por una alta densidad de energía y una velocidad de carga y descarga rápida debido a una cinética redox rápida. Un desafío para la implementación de dicha tecnología es la conductividad eléctrica insuficiente. Esto impide la recogida de carga incluso con aditivos altamente conductores, como el carbono.
Como detallan en Batteries and Supercaps, buscando soluciones para superar este problema, estos investigadores sintetizaron un polímero basado en el complejo níquel-salen (NiSalen). Las moléculas de este metalopolímero actúan como un cable molecular al que se unen los colgantes de nitroxilo que consumen mucha energía. La arquitectura molecular del material permite lograr un rendimiento de alta capacitancia en un amplio rango de temperaturas.
“Se nos ocurrió el concepto de este material hace ya cinco años. En ese momento, comenzamos a desarrollar un proyecto fundamental que denominamos Materiales de electrodos para baterías de iones de litio basados en polímeros organometálicos”, recuerda Levin.
Más de tres años para desarrollar el polímero
El proyecto recibió financiación de Russian Science Foundation. Al estudiar el mecanismo de transporte de carga en esta clase de compuestos, el equipo de Levin descubrió que estos compuestos se pueden utilizar como capa protectora para cubrir el cable conductor principal de la batería que de otro modo estaría fabricado con materiales tradicionales de batería de iones de litio. Y, en segundo lugar, se pueden emplear como componente activo de los materiales de almacenamiento de energía electroquímica.
En el desarrollo del polímero invirtieron más de tres años. Como explica el profesor Levin, en el primer año comprobaron el concepto del nuevo material: combinaron componentes individuales para simular la columna vertebral eléctricamente conductora y colgantes que contienen nitroxilo activo redox.
Era esencial asegurarse de que todas las partes de la estructura funcionaran en conjunto y se reforzaran entre sí. La siguiente etapa fue la síntesis química del compuesto. Fue la parte más desafiante del proyecto. Esto se debe a que algunos de los componentes son extremadamente sensibles e, incluso, el más mínimo error puede provocar la degradación de las muestras.
De las diversas muestras de polímero obtenidas, solo una resultó ser suficientemente estable y eficaz. La cadena principal del nuevo compuesto está formada por complejos de níquel. Un radical libre estable, capaz de oxidación y reducción rápidas (carga y descarga), se ha unido a la cadena principal a través de enlaces covalentes.
Batería menos contaminante
Como subraya el profesor Levin, “Una batería fabricada con nuestro polímero se cargará en segundos, unas 10 veces más rápido que otra de iones de litio tradicional. Esto ya se ha demostrado mediante una serie de experimentos. Sin embargo, en esta etapa, todavía está retrasado en términos de capacidad: entre un 30 y un 40% menos que en las baterías de iones de litio. Actualmente, estamos trabajando para mejorar este indicador mientras mantenemos la tasa de carga y descarga”.
Ya han fabricado el cátodo de la nueva batería, un electrodo positivo para su uso en fuentes de corriente química. “Ahora necesitamos el electrodo negativo: el ánodo. De hecho -continúa-, no es necesario crearlo desde cero, se puede seleccionar entre los existentes. En combinación, formarán un sistema que, en algunas áreas, pronto sustituirá a las baterías de iones de litio”.
La nueva batería es capaz de funcionar a bajas temperaturas y será una excelente opción cuando la carga rápida sea crucial. Es segura de usar: no hay nada que pueda representar un peligro de combustión, a diferencia de las baterías de cobalto que están muy extendidas en la actualidad.
También contiene significativamente menos metales que pueden causar daño ambiental. “El níquel está presente en nuestro polímero en una pequeña cantidad, pero hay mucha menos cantidad que en las baterías de iones de litio”, concluye Oleg Levin.
