Un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Tohoku y la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) ha logrado un avance significativo hacia las baterías de iones de litio sin metales de alto voltaje que utilizan una pequeña molécula orgánica:el ácido crocónico. El avance nos acerca a la realización de baterías de iones de litio económicas, de alta energía y libres de metales.

A diferencia de las baterías de iones de litio convencionales, que dependen de materiales de tierras raras como el cobalto y el litio, las baterías orgánicas explotan elementos naturalmente abundantes como el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno y el oxígeno. Además, las baterías orgánicas tienen mayores capacidades teóricas que las baterías de iones de litio convencionales porque el uso de materiales orgánicos las hace livianas. La mayoría de las baterías orgánicas reportadas hasta la fecha, sin embargo, poseen un voltaje de trabajo relativamente bajo (1–3V). Aumentar el voltaje de las baterías orgánicas conducirá a baterías de mayor densidad de energía.

Itaru Honma, profesor de química en el Instituto de Investigación Multidisciplinaria de Materiales Avanzados de la Universidad de Tohoku, Hiroaki Kobayashi, profesor asistente de química en la Universidad de Tohoku, y Yuto Katsuyama, estudiante de posgrado en UCLA, descubrieron que el ácido crocónico, cuando se usa como litio -material de cátodo de batería de iones, mantiene un fuerte voltaje de trabajo de alrededor de 4 V.

El ácido crocónico tiene cinco átomos de carbono unidos entre sí en forma pentagonal, y cada uno de los carbonos está unido al oxígeno. También tiene una alta capacidad teórica de 638,6 mAh/g, que es mucho más alta que los materiales de cátodo de batería de iones de litio convencionales (LiCoO2 ~ 140 mAh/g). "Investigamos el comportamiento electroquímico del ácido crocónico en el rango de alto voltaje por encima de 3 V usando cálculos teóricos y experimentos electroquímicos", dijo Kobayashi. "Descubrimos que el ácido crocónico almacena iones de litio a aproximadamente 4 V, lo que da una densidad de energía teórica muy alta de 1949 Wh/kg, que es mayor que la mayoría de las baterías de iones de litio orgánicas e inorgánicas".

Aunque la capacidad teórica no se logró en este estudio, los investigadores son optimistas, esto puede mejorarse mediante el desarrollo de electrolitos estables a alto voltaje y modificaciones químicas al ácido crocónico. Dado que la mayoría de los electrolitos no pueden soportar un voltaje de trabajo tan fuerte de ácido crocónico, es vital desarrollar nuevos electrolitos. Además, las estructuras de las moléculas orgánicas pequeñas, incluido el ácido crocónico, se pueden modificar fácilmente. Una modificación estructural adecuada puede estabilizar la molécula, lo que conduce a una mayor capacidad y reversibilidad.

La investigación se publica en Advanced Science . + Explora más

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