Un grupo de investigadores de la Universidad de San Petersburgo (Rusia) ha desarrollado un nuevo tipo de batería que puede cargarse diez veces más rápido que una batería de iones de litio, utilizadas comúnmente en vehículos eléctricos. Esta nueva batería proporciona más seguridad ante posibles riesgos de incendio y ofrece un menor impacto ambiental.
Los resultados del proyecto de la investigación, apoyado por la Russian Science Foundation, se han publicado en la revista Batteries & Supercaps. Según los estudios, los investigadores han utilizado polímeros que contienen nitroxilo con actividad redox, como materiales para el almacenamiento de energía electroquímica. Estos polímeros se caracterizan por una alta densidad de energía y una velocidad de carga y descarga rápida debido al uso de una cinética redox rápida.
Esta tecnología posee una conductividad eléctrica insuficiente, que impide la recogida de carga incluso con aditivos altamente conductores, como el carbono, por lo que complica su implementación. Para eliminar este problema, los investigadores sintetizaron un polímero basado en el complejo níquel-salen (NiSalen). Las moléculas de este metalopolímero actúan como un cable molecular al que se unen los colgantes de nitroxilo, que consumen mucha energía. La arquitectura molecular del material permite lograr un rendimiento de alta capacitancia en un amplio rango de temperaturas.
Durante el estudio del mecanismo de transporte de carga de estos compuestos, descubrieron que había dos tipos de desarrollo. “En primer lugar, estos compuestos se pueden utilizar como capa protectora para cubrir el cable conductor principal de la batería, que de otro modo estaría hecho de materiales tradicionales de batería de iones de litio. Y, en segundo lugar, se pueden utilizar como componente activo de los materiales de almacenamiento de energía electroquímica”, explica Oleg Levin, profesor del departamento de Electroquímica de la Universidad de San Petersburgo y coordinador del equipo de investigación del proyecto.
Desarrollo del polímero
El polímero tardó más de tres años en desarrollarse. En el primer año, los científicos probaron el concepto del nuevo material, combinado componentes individuales para simular la columna vertebral eléctricamente conductora y colgantes, que contienen nitroxilo activo redox. La siguiente etapa fue la síntesis química del compuesto. En esta etapa fue complicada debido a que algunos de los componentes son extremadamente sensibles e incluso el más mínimo error puede provocar la degradación de las muestras.
Los resultados mostraron que el polímero era suficientemente estable y eficaz. La cadena principal del nuevo compuesto está formada por complejos de níquel con ligandos salen, un radical libre estable, con capacidad de oxidación y reducción rápidas (carga y descarga), que se ha unido a la cadena principal a través de enlaces covalentes.
“Una batería fabricada con nuestro polímero se cargará en segundos, unas diez veces más rápido que una batería de iones de litio tradicional. Sin embargo, en esta etapa, todavía está rezagado en términos de capacidad: entre un 30% y un 40% menos que en las baterías de iones de litio”, añade Oleg Levin.
Se ha fabricado el cátodo de la nueva batería, un electrodo positivo para su uso en fuentes de corriente química. Ahora se requiere el electrodo negativo: el ánodo. En combinación, formarán un sistema que, en algunas áreas, pronto sustituirá a las baterías de iones de litio. Según Levin, la nueva batería podrá funcionar a bajas temperaturas y será más segura, ya que no existirá el riesgo de combustión. Asimismo, contiene menos metales que reducirá el daño al medio ambiente.
En la actualidad, los investigadores están presentando una solicitud de patente para su invención. La Universidad de San Petersburgo se convertirá en el titular de los derechos de autor. El proyecto fue apoyado por una subvención de la Russian Science Foundation No 16-13-00038 .