Las baterías de agua se vuelven más potentes gracias a moléculas naturales

La mayoría de las baterías de iones de litio actuales utilizan electrolitos orgánicos. Estos líquidos tienen una amplia ventana de estabilidad electroquímica y permiten altos voltajes de celda, pero a menudo son inflamables. El agua sería atractiva desde una perspectiva de seguridad y costo. Transporta bien iones, está ampliamente disponible y no puede inflamarse como un disolvente orgánico. Su desventaja radica en la electroquímica. A voltajes suficientemente altos, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno. Esto limita el rango de voltaje utilizable de los electrolitos acuosos convencionales. Desde hace varios años, la investigación sobre baterías se centra en los llamados electrolitos de agua salada. Contiene tanta sal que queda relativamente poca agua disponible de forma gratuita. La estabilidad electroquímica aumenta, pero al mismo tiempo el líquido se vuelve viscoso y los iones se influyen más entre sí.

Un equipo de investigación de la Universidad de Tufts, la Universidad de Texas en Austin y el Instituto Indio de Tecnología de Jodhpur ha investigado ahora si los zwitteriones pueden cambiar estas interacciones desfavorables. Los zwitteriones llevan una carga positiva y negativa dentro de la misma molécula, pero en general son eléctricamente neutros. Las sustancias examinadas incluyen moléculas naturales como la betaína, la carnitina y la glicerofosforilcolina. Los investigadores los mezclaron con soluciones concentradas de sales de litio y analizaron simulaciones de conductividad, viscosidad, espectros Raman y dinámica molecular. El estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society muestra una aparente contradicción: la conductividad general disminuye, mientras que la relación entre el movimiento de los iones y la viscosidad cambia significativamente más favorablemente.

¿Por qué las baterías de agua necesitan tanta sal?

En una solución salina diluida, muchas moléculas de agua se mueven en gran medida libremente. Con una tensión de electrodo suficientemente alta, pueden reaccionar electroquímicamente y formar gases. Si la concentración de sal aumenta significativamente, muchas más moléculas de agua se unen a los iones disueltos. Su entorno químico cambia y la ventana electroquímica utilizable puede volverse más amplia. En teoría, esto permite voltajes de celda más altos. El precio por esto es la alta viscosidad. El líquido concentrado fluye más lentamente y los iones pueden formar pares fuertes o asociaciones más grandes. Esto reduce la conductividad eléctrica. Esto es problemático para una batería porque durante la carga y descarga es necesario transportar rápidamente tantos iones de litio como sea posible entre los electrodos.

Los zwitteriones hacen que el líquido sea aún más viscoso.

A primera vista, los aditivos agravan el problema. Después de la adición de zwitteriones, la viscosidad siguió aumentando mientras que la conductividad absoluta de los electrolitos disminuyó. Si sólo se observaran estas dos medidas, las moléculas no serían muy atractivas para una batería. A continuación, los investigadores examinaron con más detalle en qué medida se ralentiza el movimiento de los iones en relación con la viscosidad. En soluciones diluidas ideales, la conductividad sigue una relación conocida con la viscosidad del disolvente. En los electrolitos concentrados, los sistemas reales se diferencian de éste porque los iones están relacionados entre sí y en ocasiones se mueven juntos. Las adiciones zwitteriónicas han cambiado sorprendentemente esta proporción. Algunos portadores de carga permanecieron más móviles de lo que se esperaría únicamente debido a la alta viscosidad.

Las moléculas cambian la vecindad de los iones de litio.

Las simulaciones proporcionan una explicación molecular para esto. Las áreas cargadas negativamente de los zwitteriones pueden interactuar con los iones de litio. Al mismo tiempo, debilitan parcialmente el enlace directo entre el litio y los aniones de la sal utilizada. Otras zonas de los zwitteriones entran en contacto con los aniones de la sal. Esto reorganiza la estructura local del electrolito. Los autores hablan de coordinación competitiva. En lugar de mantener los iones de litio siempre en los mismos grupos de iones compactos, surgen diferentes vecindarios y patrones de transporte. Este efecto separa parcialmente el movimiento de los iones de la viscosidad general del líquido. Esto es importante porque una solución viscosa no tiene por qué tener automáticamente propiedades de transporte tan malas como sugeriría una simple comparación de líquidos.

Aún no se ha creado una batería de agua terminada.

El trabajo investiga principalmente el electrolito y el mecanismo de transporte fundamental. Los investigadores no presentan una batería completa de alto rendimiento que ya pueda usarse en un coche eléctrico o en un sistema de almacenamiento doméstico. De los resultados no se desprende que los zwitteriones aumenten la conductividad global. De hecho, disminuye en las mezclas examinadas. El progreso científico reside en el hecho de que el transporte y la viscosidad pueden desvincularse específicamente entre sí. Esta comprensión puede ayudar a formular electrolitos futuros de una manera que combine mejor una alta estabilidad electroquímica y una movilidad iónica suficiente. El informe original de la Universidad de Tufts clasifica explícitamente los hallazgos como un paso hacia el desarrollo de dispositivos de almacenamiento electroquímico más seguros.

El almacenamiento a base de agua compite con muchos químicos celulares

Para el almacenamiento de energía estacionario, la densidad de energía máxima no siempre es el parámetro más importante. Aquí la seguridad, los costes de las materias primas, la durabilidad y los costes de mantenimiento pueden ser más importantes. Por este motivo, además de los clásicos sistemas de iones de litio, también se estudian las baterías de iones de sodio, los sistemas de zinc y los electrolitos acuosos. Por ejemplo, recientemente se informó en forschung-und-wissen.de que el primer automóvil de producción con batería de iones de sodio ya está incorporando química celular alternativa a la producción en masa. Los sistemas de litio a base de agua adoptan un enfoque diferente. Retienen el litio como portador de carga, pero reemplazan el electrolito líquido orgánico inflamable con un ambiente acuoso.

La seguridad por sí sola no es suficiente para la química de las baterías nuevas

Un electrolito no inflamable sería particularmente atractivo para grandes sistemas de almacenamiento estacionarios porque hay muchas celdas muy juntas. En casos desfavorables, un único fenómeno térmico puede extenderse a las células vecinas. Los sistemas basados ​​en agua reducen parte de este riesgo, pero al mismo tiempo deben alcanzar voltajes, rendimiento y vida útil de las celdas suficientemente altos. La estrategia agua-sal resuelve parcialmente el problema de la tensión, pero crea nuevas dificultades en términos de viscosidad, costes y cantidad de sal. Zwitterions está ampliando ahora las posibilidades de control molecular de este líquido concentrado. Será necesario realizar más pruebas en células para demostrar si las sustancias adicionales son económicas y estables a largo plazo.

La investigación desvía la atención del líquido a su estructura

El hallazgo más importante del nuevo trabajo es que la viscosidad macroscópica de un electrolito no determina por sí sola cómo se mueven los portadores de carga individuales. Mediante interacciones específicas a nivel molecular es posible influir en qué iones están conectados entre sí y qué vías de transporte se crean. Precisamente este nivel podría ser crucial para las futuras baterías de agua. En lugar de simplemente buscar un electrolito más delgado, es posible modificar la estructura de una solución concentrada para que los iones de litio permanezcan relativamente móviles a pesar de su alta viscosidad. Los resultados aún no son una batería terminada, sino un nuevo modelo para la química de electrolitos seguros. Ahora habrá que demostrar con más experimentos si a partir de esto se pueden desarrollar células de alto voltaje, de carga rápida y duraderas.

Revista de la Sociedad Química Estadounidense, La coordinación competitiva desacopla el transporte de carga de la relajación viscosa en electrolitos de agua y sal; doi:10.1021/jacs.6c11585

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