Si el verano pasado desde Rusia llegó el anuncio de la primera vacuna para luchar contra el COVID-19, ahora investigadores de la Universidad de San Petersburgo han desarrollado un nuevo tipo de batería capaz de cargar diez veces más rápido que una batería de iones de litio.
Según afirman los científicos eslavos, la nueva batería es más segura en términos de posibles incendios, además de tener un menor impacto ambiental. Los resultados del proyecto de investigación, apoyado por la Russian Science Foundation, han sido publicados en la revista Batteries & Supercaps.
Las baterías se han convertido en los últimos años en un elemento esencial de nuestras vidas, no sólo en lo que respecta a la movilidad cero emisiones. Al mismo tiempo, las baterías de iones de litio tienen una serie de problemas graves inherentes a sus características y químicas.
Puntos débiles de las baterías de iones de litio
Entre estos puntos débiles, están los riesgos de incendios potenciales, pérdidas de rendimiento a bajas temperaturas y un impacto ambiental considerable a la hora de reciclar las celdas de baterías una vez que han llegado al final de su vida útil.
Según el líder del equipo de investigación, el profesor del Departamento de Electroquímica de la Universidad de San Petersburgo Oleg Levin, los químicos han estado explorando polímeros que contienen nitroxilo activos redox como materiales para el almacenamiento de energía electroquímica.
Estos polímeros se caracterizan por una alta densidad de energía y una rápida velocidad de carga y descarga debido a la rápida cinética redox. Un desafío hacia la implementación de dicha tecnología ha sido tradicionalmente la insuficiente conductividad eléctrica. Esto impide la recolección de carga incluso con aditivos altamente conductores, como el carbono.
Los investigadores de la Universidad de San Petersburgo, en su búsqueda de soluciones a este respecto, han logrado sintetizar un polímero basado en el complejo de níquel-salen (NiSalen).
¿Cómo funcionan?
Las moléculas de este metalopolímero actúan como un alambre molecular al que se unen colgantes de nitroxilo de uso intensivo de energía. La arquitectura molecular del material permite lograr un alto rendimiento de capacitancia en un amplio rango de temperatura.
«Se nos ocurrió el concepto de este material en 2016. Cuando comenzamos a desarrollar un proyecto fundamental -Materiales de electrodos para baterías de iones de litio basadas en polímeros organometálicos-«. Declara Oleg Levin.
Según el responsable de la investigación, «al estudiar el mecanismo de transporte de carga en esta clase de compuestos, descubrimos que hay dos direcciones clave de desarrollo. En primer lugar, estos compuestos se pueden utilizar como una capa protectora para cubrir el cable conductor principal de la batería, que de otra manera estaría hecho de materiales tradicionales de la batería de iones de litio. Y en segundo lugar, se pueden utilizar como un componente activo de materiales de almacenamiento de energía electroquímica«.
Tres años de desarrollo
El polímero tardó más de tres años en desarrollarse. En el primer año, los científicos probaron el concepto del nuevo material: combinaron componentes individuales para simular la columna vertebral conductora eléctrica y los colgantes que contienen nitroxilo activos redox.
En esta parte del proyecto era esencial asegurarse de que todas las partes de la estructura funcionaran en conjunto y se reforzaran entre sí.
La siguiente etapa contemplaba la síntesis química del compuesto. Esta parte ha resultado ser la más desafiante del proyecto.
Esto se debe a que algunos de los componentes son extremadamente sensibles e incluso el más mínimo error de un científico puede causar degradación de las muestras.
De las varias muestras de polímero obtenidas, solo se encontró que una era lo suficientemente estable y eficiente. La cadena principal del nuevo compuesto está formada por complejos de níquel con salen. Un radical libre estable, capaz de oxidación y reducción rápida (carga y descarga), se ha vinculado a la cadena principal a través de enlaces covalentes.
Levin y su equipo lograron la síntesis del complejo níquel-salen (NiSalen), un polímero que resultó ser el más estable y eficiente en todas las pruebas.
Cargas 10 veces más rápidas
«Una batería fabricada con nuestro polímero se cargará en segundos, unas diez veces más rápido que una batería tradicional de iones de litio. Esto ya se ha demostrado a través de una serie de experimentos», confirma Levin.
La nueva batería es capaz de funcionar a bajas temperaturas y será una excelente opción donde la carga rápida es crucial. Además es un producto más seguro a la hora de su uso puesto que no hay nada que pueda representar un peligro de combustión, a diferencia de las baterías a base de cobalto tan extendidas hoy en día.
Otra ventaja de este avance ruso es el bajo contenido en metales que pueden causar daños ambientales. «El níquel está presente en nuestro polímero en una pequeña cantidad, pero hay mucho menos que en las baterías de iones de litio«, asegura Oleg Levin.
