Los iones atrapados pueden abrir un camino hacia mejores baterías y mucho más

Los iones atrapados pueden abrir un camino hacia mejores baterías y mucho más

Crédito: Universidad Estatal de Oregón

Un descubrimiento fortuito durante la investigación de baterías en la Universidad Estatal de Oregón tiene implicaciones importantes para la invención de nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones científicas y comerciales, dice el autor correspondiente del estudio.

Muchos de los desafíos más importantes de la ciencia se remontan a los límites de los materiales disponibles conocidos, pero un fenómeno llamado “inserción de contraiones” por investigadores de la Facultad de Ciencias de la OSU abre la puerta a “una gran cantidad de nuevos sólidos con valores que trascienden diferentes disciplinas mucho más allá de la batería”. químicas”, dijo Xiulei (David) Ji, profesor asociado de química. “Este es el punto de partida de un campo completamente nuevo”.

Por ejemplo, las baterías diseñadas con esta construcción muestran un potencial notable para el almacenamiento de energía de bajo costo, dijo Ji. En comparación con las baterías de iones de litio que se usan para alimentar teléfonos celulares, computadoras portátiles, equipos médicos, herramientas eléctricas, vehículos y más, son más seguras y respetuosas con el medio ambiente y pueden ser más rentables.

Los hallazgos se acaban de publicar en Energía de carbono.

Investigar la química del almacenamiento de iones en sólidos, específicamente, buscar aniones en lugar de cationes para almacenar energía, i y Ph.D. el estudiante Heng Jiang probó el óxido de manganeso Mn3O4 como electrodo en una batería de iones de zinc.

La prueba de alojar iones de zinc no tuvo éxito, pero en su lugar entregó un electrodo de batería de cloruro sin precedentes, lo que demuestra que las baterías que alojan aniones funcionan mejor después de que los cationes quedan atrapados en los electrodos.

“Esperamos que esto marque la inauguración de la inserción de contraiones como una metodología de electrosíntesis genérica para el diseño de materiales”, dijo Ji. “Los procesos de carga o descarga de la batería pueden ser poderosas herramientas de síntesis, y el proceso en el que un electrodo no logra las propiedades deseables en un tipo de batería puede ser la electrosíntesis exacta necesaria para crear un electrodo excelente para otro tipo de batería”.

Hay muchos tipos diferentes de baterías, pero todas funcionan de la misma manera básica y contienen los mismos componentes básicos: dos electrodos: el ánodo, desde el cual los electrones fluyen hacia un circuito externo, y el cátodo, que adquiere los electrones del circuito externo. y el electrolito, el medio químico que separa los electrodos y permite el flujo de iones entre ellos.

La mayoría de las baterías, explica Ji, almacenan electricidad a través de cationes. Un catión es un elemento o una molécula a la que le faltan uno o más electrones y está cargada positivamente. Un anión, que también puede usarse para almacenar electricidad, es un elemento o molécula que tiene uno o más electrones adicionales y está cargado negativamente.

“Hay menos materiales conocidos que puedan almacenar aniones de forma reversible que almacenar cationes”, dijo Ji. “Como ejemplo de almacenamiento de cationes, la inserción reversible de iones de litio condujo a la tecnología de las baterías de iones de litio”.

Reversible significa que la batería se puede recargar, como la de un teléfono celular.

Las baterías de iones de litio funcionan bien porque el catión que se almacena es pequeño y liviano. Para el almacenamiento de aniones, los aniones deseables son los haluros, un solo átomo de halógeno con un electrón adicional. Los halógenos son yodo, bromo, cloro y flúor, y sus aniones se conocen como yoduro, bromuro, cloruro y fluoruro.

“El cloruro es relativamente ligero y pequeño en comparación con otros tipos de aniones que se han probado, iones poliatómicos voluminosos como nitrato, sulfato y hexafluorofosfato, que tienden a deformar gradualmente las estructuras de los electrodos”, dijo Ji.

En este estudio, el cátodo de Mn3O4 almacenó cloruro de forma reversible con gran eficacia después de que los cationes de zinc (Zn2+) quedaran atrapados dentro de la estructura química del cátodo.

“Los cationes atrapados transforman el Mn3O4 de tal manera que el almacenamiento reversible del cloruro se vuelve mucho más viable”, dijo Ji. “El zinc y el cloruro son contraiones entre sí, lo que provoca interacciones favorables que conducen a propiedades sin precedentes en cuanto a capacidad, potencial de funcionamiento y ciclo de vida. El cátodo que aloja el anión funciona con un ánodo metálico de zinc en una batería de iones duales de celda completa. con un electrolito acuoso”.

Las baterías de iones duales tienen cationes y aniones involucrados en la reacción de oxidación-reducción electroquímica, o redox, de la batería.

Las baterías de la variedad de iones duales que utilizan electrolitos acuosos (electrolitos que contienen agua) tienen un “potencial notable para el almacenamiento de energía a bajo costo”, dijo Ji. En comparación con las baterías de iones de litio, son más seguras, más respetuosas con el medio ambiente y pueden ser más rentables.

“Demostramos esta química de batería pendiente de patente en celdas de bolsa prototipo, que está cerca de la comercialización”, dijo. “Aún más importante, la inserción de contraiones parece una metodología con importantes implicaciones de electrosíntesis en todo el espectro de la ciencia de los materiales. El conocimiento de la inserción de contraiones crecerá potencialmente de manera exponencial en los próximos tres a cinco años con muchos materiales nuevos por inventar”. .”


Similar Posts

Leave a Reply