Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón han descubierto que un mecanismo químico descrito por primera vez hace más de dos siglos tiene el potencial de revolucionar el almacenamiento de energía para aplicaciones de alta potencia como vehículos o redes eléctricas.

El equipo de investigación dirigido por Xiulei (David) Ji de la Facultad de Ciencias de OSU, junto con colaboradores del Laboratorio Nacional Argonne, la Universidad de California Riverside, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, son los primeros en demostrar que la difusión puede no ser necesaria para transportar cargas iónicas dentro de una estructura de estado sólido hidratado de un electrodo de batería.

"Este descubrimiento cambiará potencialmente todo el paradigma del almacenamiento de energía electroquímica de alta potencia con nuevos principios de diseño para electrodos, "dijo Xianyong Wu, becario postdoctoral en OSU y primer autor del artículo.

Los hallazgos se publicaron hoy en Energía de la naturaleza .

"Ha sido un gran desafío crear electrodos Faradaic que ofrezcan la densidad de energía de la batería y la potencia del condensador con un ciclo de vida excelente, "dijo Ji, profesor asociado de química. "Hasta aquí, la mayor parte de la atención se ha dedicado a los iones metálicos, empezando por el litio y mirando hacia abajo en la tabla periódica ".

El equipo colaborativo, sin embargo, miraron hacia arriba, al único protón de hidrógeno, y también miraron hacia atrás en el tiempo, a Theodor von Grotthuss, un químico lituano nacido en Alemania que en 1806 escribió la teoría sobre el transporte de carga en electrolitos.

Von Grotthuss tenía solo 20 años, y vivir en una región acosada por la agitación política, cuando publicó "Memorias sobre la descomposición del agua y de los cuerpos que contiene en solución por medio de la electricidad galvánica" en una revista científica francesa.

"En la confusión de su tiempo y lugar, logró hacer este gran descubrimiento, ", Dijo Ji." Fue el primero en descubrir cómo funciona el electrolito, y describió lo que ahora se conoce como el mecanismo de Grotthuss:protón transferido por escisión cooperativa y formación de enlaces de hidrógeno y enlaces covalentes O-H dentro de la red de enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua ".

Así es como funciona:la carga eléctrica se lleva a cabo cuando un átomo de hidrógeno que une dos moléculas de agua "cambia su lealtad" de una molécula a la otra, Wu explica.

"El interruptor desconecta uno de los átomos de hidrógeno que estaba unido covalentemente en la segunda molécula, desencadenando una cadena de desplazamientos similares a lo largo de la red de enlaces de hidrógeno, ", dijo." El movimiento es como la cuna de Newton:los desplazamientos locales correlacionados conducen al transporte de protones de largo alcance, que es muy diferente de la conducción de iones metálicos en electrolitos líquidos, donde los iones solvatados se difunden a grandes distancias individualmente de manera vehicular ".

Ji agregó:"Las vibraciones cooperativas de los enlaces de hidrógeno y los enlaces covalentes de hidrógeno y oxígeno prácticamente entregan un protón de un extremo de una cadena de moléculas de agua al otro extremo sin transferencia de masa dentro de la cadena de agua".

La carrera de relevos molecular es la esencia de un conducto de carga increíblemente eficiente, él dijo.

"Esa es la belleza de esto, "Dijo Ji." Si este mecanismo está instalado en los electrodos de la batería, el protón no tiene que pasar a través de orificios estrechos en estructuras cristalinas. Si diseñamos materiales con el fin de facilitar este tipo de conducción, este conducto está tan listo, tenemos esta autopista mágica de protones incorporada como parte de la red ".

En su experimento, Ji, Wu y sus colaboradores revelaron el rendimiento de potencia extremadamente alto de un electrodo de un análogo azul de Prusia, Turnbull's blue, conocido por la industria de los tintes. La red de agua de celosía contigua única dentro de la celosía del electrodo demuestra la "grandeza" prometida por el mecanismo de Grotthuss.

"Los científicos computacionales han logrado enormes avances en la comprensión de cómo se produce realmente el salto de protones en el agua, ", Dijo Ji." Pero la teoría de Grotthuss nunca se exploró para aprovechar el almacenamiento de energía en detalle, particularmente en una reacción redox bien definida, que tenía el objetivo de materializar el impacto de esta teoría ".

Si bien está muy entusiasmado con sus hallazgos, Ji advierte que aún queda trabajo por hacer para lograr una carga y descarga ultrarrápidas en baterías que son prácticas para el transporte o el almacenamiento de energía de la red.

"Sin la tecnología adecuada que implique la investigación de científicos de materiales e ingenieros eléctricos, todo esto es puramente teórico, ", dijo." ¿Se puede tener una carga inferior a un segundo o una descarga de la química de una batería? Teóricamente lo demostramos, sino realizarlo en los dispositivos de consumo, podría ser un viaje de ingeniería muy largo. En este momento, la comunidad de baterías se centra en el litio, sodio, y otros iones metálicos, pero los protones son probablemente los portadores de carga más intrigantes con vastos potenciales desconocidos para realizar ".