Esta batería, la primera de su clase, utiliza un electrodo negativo a base de benzoquinona y un electrolito polimérico sólido de Nafion.
Las baterías de estado sólido utilizan electrodos sólidos y electrolitos sólidos, a diferencia de las baterías de iones de litio, más conocidas, que utilizan electrolitos líquidos. Las baterías de estado sólido superan varios retos asociados a las baterías de base líquida, como la inflamabilidad, el voltaje limitado, los reactivos inestables y la escasa ciclabilidad y resistencia a largo plazo. En este campo, los investigadores han demostrado recientemente la existencia de una batería de aire recargable totalmente de estado sólido compuesta por un electrodo negativo orgánico redox activo y un electrolito polimérico conductor de protones.
Los metales suelen utilizarse como materiales activos para los electrodos negativos de las pilas. Recientemente, se han utilizado moléculas orgánicas redox activas, como las moléculas basadas en quinonas y aminas, como electrodos negativos en pilas recargables de metal-aire con electrodos positivos reductores de oxígeno. En este caso, protones e iones de hidróxido participan en las reacciones redox. Estas baterías presentan un alto rendimiento, cercano a la capacidad máxima teóricamente posible. Además, el uso de moléculas orgánicas redox-activas en las pilas recargables de aire supera los problemas asociados a los metales, como la formación de estructuras denominadas "dendritas", que repercuten en el rendimiento de las pilas y tienen un impacto medioambiental negativo. Sin embargo, estas pilas utilizan electrolitos líquidos -al igual que las pilas metálicas- que plantean importantes problemas de seguridad, como una elevada resistencia eléctrica, efectos de lixiviación e inflamabilidad.
Ahora, en un nuevo estudio publicado en Angewandte Chemie International Edition el 2 de mayo de 2023, un grupo de investigadores japoneses ha desarrollado una batería de aire recargable totalmente de estado sólido (SSAB) e investigado su capacidad y durabilidad. El estudio fue dirigido por el profesor Kenji Miyatake, de la Universidad de Waseda y la Universidad de Yamanashi, y coescrito por el profesor Kenichi Oyaizu, de la Universidad de Waseda.
Los investigadores eligieron una sustancia química llamada 2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona (DHBQ) y su polímero poli(2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona-3,6-metileno) (PDBM) como materiales activos para el electrodo negativo debido a sus reacciones redox estables y reversibles en condiciones ácidas. Además, utilizaron un polímero conductor de protones llamado Nafion como electrolito sólido, sustituyendo así a los electrolitos líquidos convencionales. "Que yo sepa, aún no se ha desarrollado ninguna pila de aire basada en electrodos orgánicos y electrolito de polímero sólido", afirma Miyatake.
Una vez colocado el SSAB, los investigadores evaluaron experimentalmente su rendimiento de carga y descarga, sus características de velocidad y su ciclabilidad. Comprobaron que, a diferencia de las típicas pilas de aire que utilizan un electrodo negativo metálico y un electrolito líquido orgánico, la SSAB no se deterioraba en presencia de agua y oxígeno. Además, la sustitución de la molécula redox activa DHBQ por su homóloga polimérica PDBM formó un electrodo negativo mejor. Mientras que la capacidad de descarga por gramo del SSAB-DHBQ era de 29,7 mAh, el valor correspondiente del SSAB-PDBM era de 176,1 mAh, a una densidad de corriente constante de 1 mAcm-2.
Los investigadores también descubrieron que la eficiencia coulómbica de SSAB-PDBM era del 84% a una tasa de 4 C, que disminuía gradualmente hasta el 66% a una tasa de 101 C. Aunque la capacidad de descarga de SSAB-PDBM se redujo al 44% después de 30 ciclos, al aumentar el contenido de polímero conductor de protones del electrodo negativo, los investigadores pudieron mejorarla significativamente hasta el 78%. Las imágenes de microscopía electrónica confirmaron que la adición de Nafion mejoraba el rendimiento y la durabilidad del electrodo basado en PDBM.
Este estudio demuestra el buen funcionamiento de un SSAB compuesto por moléculas orgánicas redox-activas como electrodo negativo, un polímero conductor de protones como electrolito sólido y un electrodo positivo difusor reductor de oxígeno. Los investigadores esperan que esto allane el camino para nuevos avances. "Esta tecnología puede prolongar la vida útil de las baterías de pequeños aparatos electrónicos, como los teléfonos inteligentes, y contribuir a hacer realidad una sociedad libre de carbono", concluye Miyatake.
(Waseda University)
