Las baterías se han convertido en una parte esencial de nuestra vida diaria, alimentando todo, desde teléfonos móviles y relojes inteligentes hasta vehículos eléctricos. Sin embargo, la mayoría de las baterías contienen materiales peligrosos, tóxicos y corrosivos que pueden contaminar el medio ambiente cuando se desechan en vertederos o en otro lugar. Materiales como el plomo, el cadmio y el mercurio pueden envenenar a las personas y los animales, contaminar el suelo y el agua y permanecer en el medio ambiente durante mucho tiempo.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Flinders en el sur de Australia y la Universidad de ciencia y tecnología de Zhejiang en China ha recorrido un largo camino para producir la primera batería radical acuosa de aluminio no tóxica, segura y eficiente del mundo. Han completado la primera etapa de desarrollo de estas nuevas baterías.
Las baterías recargables de iones de aluminio (AIB) han atraído mucho la atención recientemente debido a su alta capacidad volumétrica teórica, buena seguridad y suministros abundantes, lo que hace que estas baterías sean un sistema de almacenamiento de energía sostenible y rentable.
Sin embargo, uno de los mayores desafíos para los científicos actuales de AIB es el lento movimiento de Al3+ complejos iónicos, lo que conduce a AIB con baja eficiencia catódica. Los polímeros orgánicos conjugados se consideran candidatos prometedores como materiales de cátodo para que los AIB resuelvan el problema del transporte de iones, pero su rendimiento de salida de voltaje de la batería sigue siendo deficiente.
Los radicales estables son una clase de moléculas electroactivas orgánicas que se han utilizado ampliamente en diferentes sistemas de baterías orgánicas. Ofrecen varias ventajas, como una mayor sostenibilidad en la producción, un ajuste fino de las características electroquímicas y muchas posibilidades y propiedades estructurales.
Anteriormente, los investigadores desarrollaron materiales radicales para baterías orgánicas híbridas de iones de litio (LIB), baterías de iones de sodio y baterías totalmente orgánicas. Pero estos materiales radicales no se han utilizado en las baterías de iones de aluminio recargables emergentes debido a la falta de comprensión de su reacción (electro)química en los electrolitos.
Las nuevas baterías acuosas de radicales de aluminio están fabricadas con materiales especiales conocidos como radicales orgánicos estables, que contienen un elemento crucial 2,2,6,6-tetrametilpiperidil-1-oxi (TEMPO). Además, en lugar de utilizar productos químicos nocivos, las nuevas baterías utilizan un electrolito acuoso dominado por el ácido de Lewis Al (OTf)3.
Mediante caracterizaciones (electro)químicas in situ y cálculos teóricos, los investigadores revelan por primera vez una desproporción irreversible del TIEMPO en el Al(OTf) orgánico3 electrolitos que se pueden convertir en un proceso reversible cambiando a un medio acuoso. En este último caso, una rápida hidrólisis e intercambio de ligandos entre [Al(OTf)3TEMPO]- el anión y el agua permiten la reacción redox electroquímica general reversible del TIEMPO.
Estos electrolitos a base de agua ayudaron a los investigadores a desarrollar el primer diseño de AIB de polímeros de radicales de agua que son ignífugos y estables al aire, proporcionando una salida de voltaje estable de 1,25 V y una capacidad de 110 mAh g –1 en 800 ciclos con 0,028 % pérdida por ciclo.
Los investigadores esperan utilizar materiales biodegradables para el desarrollo de baterías blandas en el futuro para que el producto sea seguro y sostenible.
En conclusión, este trabajo demuestra la promesa de usar materiales electroactivos orgánicos no conjugados para AIB rentables y seguros que actualmente se basan en moléculas orgánicas conjugadas.
Referencia del periódico:
- Shangxu Jiang, Yihui Xie, Yuan Xie, Li-Juan Yu, Xiaoqing Yan, Fu-Gang Zhao, Chanaka J. Mudugamuwa, Michelle L. Coote, Zhongfan Jia y Kai Zhang. La desproporción inducida por ácido de Lewis reversible de TEMPO permite baterías de radicales de aluminio acuosas. Sociedad Química Estadounidense, 2023; DUELE: 10.1021/jacs.3c04203
