És difícil imaginar la vida quotidiana sense bateries de ions de liti. Dominen el mercat de les bateries de petit format per a dispositius electrònics portàtils i també s’utilitzen habitualment en vehicles elèctrics. Al mateix temps, les bateries de ions de liti presenten una sèrie de problemes seriosos, com seria un risc potencial d’incendi i una pèrdua de rendiment a temperatures fredes, així com un considerable impacte ambiental pel reciclatge.
Els químics han estat explorant polímers que continguin nitroxil actiu redox com a materials per emmagatzemar energia electroquímica. Aquests polímers, es caracteritzen per una alta densitat d’energia i una ràpida velocitat de càrrega i descàrrega a causa de la cinètica redox. Un repte cap a la implementació d’aquesta tecnologia, és la conductivitat elèctrica insuficient. Això impedeix la recollida de càrregues fins i tot amb additius molt conductors, com és el carboni.
A la recerca de solucions per superar aquest problema, es va sintetitzar un polímer basat en el complex níquel-salen (NiSalen). Les molècules d’aquest metall-polímer actuen com un fil molecular al qual s’uneixen uns penjolls de nitroxil que consumeixen molta energia. L'arquitectura molecular del material permet assolir un alt rendiment de capacitància en un ampli rang de temperatura.
Aquest concepte de material es va assolir en el 2016. En aquell moment, es va començar a desenvolupar un projecte fonamental Materials d'elèctrodes per a bateries de liti-ió basades en polímers organometàl·lics. Va ser recolzat per una subvenció de la Russian Science Foundation. Quan van estudiar el mecanisme de transport de càrregues en aquesta classe de compostos, es va descobrir que hi ha dues direccions clau de desenvolupament:
1.- Aquests compostos es poden utilitzar com a capa protectora per cobrir la cable conductor de la bateria, que d'una altra manera estaria fet de materials tradicionals de bateria de ions de liti.
2.- Es poden utilitzar com a component actiu dels materials d'emmagatzematge d'energia electroquímica.
El polímer va trigar més de tres anys a desenvolupar-se. Durant el primer any, es va provar el concepte del nou material de manera que es van combinar components individuals per simular la columna vertebral conductora elèctricament i els penjolls que contenen nitroxil actius redox. Era essencial assegurar-se que totes les parts de l'estructura funcionaven conjuntament i es reforçaven mútuament. La següent etapa va ser la síntesi química del compost. Va ser la part més difícil del projecte. Això es deu al fet que alguns dels components són extremadament sensibles i fins i tot el més mínim error d'un científic pot provocar la degradació de les mostres.
Dels diversos exemplars de polímers obtinguts, només es va trobar que un era suficientment estable i eficient. La cadena principal del nou compost estava formada per complexos de níquel amb salen. Un radical lliure estable, capaç d’oxidar i reduir ràpidament (càrrega i descàrrega), s’ha relacionat amb la cadena principal mitjançant enllaços covalents.
Una bateria fabricada amb aquest polímer, es carregarà en qüestió de segons, aproximadament deu vegades més ràpida que una tradicional bateria de ions de liti. Això ja s'ha demostrat a través d'una sèrie d'experiments. No obstant això, en aquesta etapa, encara es queda enrere en termes de capacitat, entre un 30 i un 40% menys que en les bateries de ions de liti. Actualment s'està treballant per millorar aquest indicador mantenint la taxa de descàrrega i de càrrega.
S’ha fabricat el càtode de la nova bateria: un elèctrode positiu per utilitzar-lo en fonts de corrent químic. Ara es necessita l’elèctrode negatiu: l’ànode. De fet, no s’ha de crear des de zero: es pot seleccionar entre els existents. Combinats, formaran un sistema que, en algunes zones, pot substituir aviat les bateries de ions de liti.
La nova bateria és capaç de funcionar a baixes temperatures i serà una excel·lent opció, en què la càrrega ràpida és fonamental. És segura d'utilitzar; no hi ha res que pugui suposar un risc de combustió, a diferència de les bateries basades en cobalt d'avui en dia. També conté significativament menys metalls que podrien causar danys ambientals. El níquel està present en el polímer en una petita quantitat, però n'hi ha molt menys que en les bateries de ions de liti.
Font: Departament d'Electroquímica de la Universitat de Sant Petersburg
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada