Desde 2012, Stefan Freunberger, del Instituto de Química y Tecnología de Materiales de TU Graz, ha estado trabajando en el desarrollo de una nueva generación de baterías con un rendimiento mejorado y una vida útil más prolongada. y que también son más baratos de producir que los modelos actuales. Él cree que las baterías de litio y oxígeno tienen un potencial significativo. En 2017, en el curso de su trabajo, Freunberger descubrió paralelismos entre el envejecimiento celular de los organismos vivos y las baterías. En ambos casos, El oxígeno singlete altamente reactivo es responsable del proceso de envejecimiento. Esta forma de oxígeno, que ha sido el foco de la investigación de Freunberger durante los últimos años, se produce cuando las baterías de litio-oxígeno se cargan o descargan. El investigador de Graz ahora ha encontrado formas de minimizar los efectos negativos del oxígeno singlete, y sus hallazgos han sido publicados en revistas de renombre Comunicaciones de la naturaleza y Angewandte Chemie .

Mediadores redox estables, la clave para la eficiencia energética

En su papel en Comunicaciones de la naturaleza , Freunberger describe el efecto del oxígeno singlete sobre los llamados mediadores redox, que puede reducirse u oxidarse de forma reversible. El trabajo se llevó a cabo en colaboración con investigadores de Corea del Sur y Estados Unidos. Los mediadores redox juegan un papel vital en el flujo de electrones entre el circuito exterior y el material de almacenamiento de carga en las baterías de oxígeno. y también tienen un impacto considerable en su desempeño. El principio detrás de los mediadores se toma prestado de la naturaleza, donde son responsables de una serie de funciones diferentes en las células vivas, incluida la transmisión de impulsos nerviosos y la producción de energía. "Hasta ahora se suponía que los mediadores redox son desactivados por superóxidos y peróxidos. Pero nuestros experimentos han demostrado que esto se debe a la acción del oxígeno singlete, ", dijo Freunberger. Los investigadores utilizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad para demostrar por qué ciertas clases de mediadores son más resistentes al oxígeno singlete que otros. También identificaron sus vías de ataque más probables. Estos conocimientos están impulsando el desarrollo de nuevos, mediadores redox más estables. "Cuanto más estables sean los mediadores, el más eficiente, reversibles y de larga duración las baterías se vuelven, "Explicó Freunberger.

DABCOnium proporciona una protección eficaz contra el oxígeno singlete

Además de desactivar los mediadores redox, el oxígeno singlete también desencadena reacciones parasitarias, que comprometen la vida útil y la recarga de la batería. Entonces, Freunberger intentó identificar un extintor adecuado que transforma el oxígeno singlete producido en oxígeno triplete inofensivo, que ocurre en el aire, la biología lo señaló en la dirección correcta. "Una enzima llamada superóxido dismutasa bloquea la formación de oxígeno singlete en las células vivas. En su lugar, Usé DABCOnium, que es una sal del compuesto de nitrógeno orgánico DABCO, en mis experimentos ". DABCOnium es un aditivo electrolítico que es mucho más resistente a la oxidación que los extintores previamente identificados, y es compatible con un ánodo de litio-metal. De este modo, Freunberger creó por primera vez las condiciones para cargar las celdas de oxígeno de litio que estaban en gran parte libres de reacciones secundarias; en otras palabras, sin reacciones parasitarias. Sin embargo, como lo demostró Freunberger el año pasado, El oxígeno singlete también causa problemas en las baterías de iones de litio de última generación, así como en baterías de oxígeno. Esto significa que los extintores también son importantes para los primeros. Freunberger publicó detalles de este extintor de oxígeno singlete en la revista Angewandte Chemie .

Caso ideal:mediador y extintor combinados

El siguiente paso en la investigación de Freunberger implicará fusionar sus hallazgos y desarrollar una nueva clase de mediadores. Estos deben ser particularmente resistentes al ataque del oxígeno singlete y también combatirlo eficazmente realizando una función de extinción. Esto prolongaría drásticamente la vida útil de las baterías de litio y oxígeno y maximizaría la eficiencia energética.