Como las baterías de iones de litio que alimentan la mayoría de los teléfonos, laptops, y los vehículos eléctricos se vuelven cada vez más rápidos y de alto rendimiento, también se vuelven cada vez más caras e inflamables.

En una investigación publicada recientemente en Energy Storage Materials, un equipo de ingenieros del Instituto Politécnico Rensselaer demostró cómo podían, mediante el uso de electrolitos acuosos en lugar de los electrolitos orgánicos típicos, ensamblar una estructura sustancialmente más segura y batería rentable que aún funciona bien.

Si echaras un vistazo al interior de una batería, encontraría dos electrodos:un ánodo y un cátodo. Estos electrodos están sumergidos en un electrolito líquido que conduce iones a medida que la batería se carga y descarga.

Los electrolitos acuosos se han considerado para ese papel debido a su naturaleza no inflamable y porque, a diferencia de los electrolitos no acuosos, no son sensibles a la humedad en el proceso de fabricación, haciéndolos más fáciles de trabajar y menos costosos. El mayor desafío con este material ha sido mantener el rendimiento.

"Si aplica demasiado voltaje al agua, se electroliza, lo que significa que el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno, "dijo Nikhil Koratkar, un catedrático dotado de profesor de mecánica, aeroespacial, e ingeniería nuclear en Rensselaer. "Esto es un problema porque luego se desgasifica, y se consume el electrolito. Por lo general, este material tiene una ventana de voltaje muy limitada ".

En esta investigación, Koratkar y su equipo, que incluía a Fudong Han, un profesor asistente de cátedra de mecánica, aeroespacial, e ingeniería nuclear:utilizó un tipo especial de electrolito acuoso conocido como electrolito de agua en sal, que es menos probable que se electrolice.

Para el cátodo, los investigadores utilizaron óxido de litio y manganeso, y para el ánodo, utilizaron óxido de niobio y tungsteno, un óxido complejo que, según Koratkar, no se había explorado antes en una batería acuosa.

"Resulta que el óxido de niobio y tungsteno es sobresaliente en términos de energía almacenada por unidad de volumen, "Dijo Koratkar." Volumétricamente, este fue, con mucho, el mejor resultado que hemos visto en una batería acuosa de iones de litio ".

El óxido de niobio y tungsteno, él explicó, es relativamente pesado y denso. Ese peso hace que su almacenamiento de energía basado en la masa sea aproximadamente promedio, pero el denso empaquetamiento de partículas de óxido de tungsteno y niobio en el electrodo hace que su almacenamiento de energía basado en el volumen sea bastante bueno. La estructura cristalina de este material también tiene canales o túneles bien definidos que permiten que los iones de litio se difundan rápidamente. lo que significa que puede cargarse rápidamente.

La combinación de la capacidad de carga rápida y la capacidad de almacenar una gran cantidad de carga por unidad de volumen, Koratkar dijo:es raro en pilas acuosas.

Alcanzar ese tipo de desempeño, con un bajo costo y seguridad mejorada, tiene implicaciones prácticas. Para aplicaciones emergentes como la electrónica portátil, vehículos eléctricos, y almacenamiento en red, la capacidad de empaquetar la máxima cantidad de energía en un volumen limitado se vuelve crítica.