Un descubrimiento fortuito durante la investigación de baterías en la Universidad Estatal de Oregon tiene importantes implicaciones para la invención de nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones científicas y comerciales. dice el autor correspondiente del estudio.

Muchos de los desafíos más importantes de la ciencia se remontan a los límites de los materiales disponibles conocidos, pero un fenómeno llamado "inserción de contraiones" por los investigadores de la Facultad de Ciencias de la OSU abre la puerta a "una gran cantidad de nuevos sólidos con valores que trascienden diferentes disciplinas mucho más allá de la química de las baterías, "dijo Xiulei (David) Ji, profesor asociado de química. "Este es el punto de partida de un campo completamente nuevo".

Por ejemplo, Las baterías diseñadas con esta construcción muestran un potencial notable para el almacenamiento de energía de bajo costo, Dijo Ji. En comparación con las baterías de iones de litio que se utilizan para alimentar teléfonos móviles, laptops, Equipo medico, Herramientas eléctricas, vehículos y más, son más seguros, más respetuosos con el medio ambiente y pueden ser más rentables.

Los hallazgos se publicaron recientemente en Energía de carbono .

Investigar la química del almacenamiento de iones en sólidos, específicamente, mirando aniones en lugar de cationes para almacenar energía — Ji y Ph.D. El estudiante Heng Jiang probó el óxido de manganeso Mn3O4 como electrodo en una batería de iones de zinc.

La prueba de albergar iones de zinc no tuvo éxito, pero en su lugar proporcionó un electrodo de batería de cloruro sin precedentes, mostrando que las baterías que albergan aniones funcionan mejor después de que los cationes quedan atrapados en los electrodos.

"Esperamos que esto marque la inauguración de la inserción de contraiones como una metodología genérica de electrosíntesis para el diseño de materiales, "Ji dijo." Los procesos de descarga o carga de la batería pueden ser herramientas de síntesis poderosas, y el proceso en el que un electrodo no proporciona las propiedades deseables en un tipo de batería puede ser la electrosíntesis exacta necesaria para crear un electrodo excelente para otro tipo de batería ".

Hay muchos tipos diferentes de baterías, pero todas funcionan de la misma manera básica y contienen los mismos componentes básicos:dos electrodos:el ánodo, desde donde los electrones fluyen hacia un circuito externo, y el cátodo, que adquiere electrones del circuito externo, y el electrolito, el medio químico que separa los electrodos y permite el flujo de iones entre ellos.

La mayoría de las baterías Ji explica, almacenar electricidad a través de cationes. Un catión es un elemento o una molécula a la que le faltan uno o más electrones y tiene carga positiva. Un anión que también se puede utilizar para almacenar electricidad, es un elemento o molécula que tiene uno o más electrones adicionales y está cargado negativamente.

"Hay menos materiales conocidos que puedan almacenar aniones de forma reversible que para almacenar cationes, "Dijo Ji." Como ejemplo de almacenamiento de cationes, la inserción reversible de iones de litio llevó a la tecnología de las baterías de iones de litio ".

Reversible significa que la batería se puede recargar, como el de un celular.

Las baterías de iones de litio funcionan bien porque el catión que se almacena es pequeño y liviano. Para el almacenamiento de aniones, los aniones deseables son haluros, un solo átomo de halógeno con un electrón extra. Yodo, bromo, cloro, y el flúor son los halógenos, y sus aniones se conocen como yoduro, bromuro, cloruro y fluoruro.

"El cloruro es relativamente ligero y pequeño en comparación con otros tipos de aniones que se han probado, iones poliatómicos voluminosos como el nitrato, sulfato y hexafluorofosfato, que tienden a deformar gradualmente las estructuras de los electrodos, "Dijo Ji.

En este estudio, el cátodo de Mn3O4 almacenó cloruro de forma reversible con gran eficacia después de que los cationes de zinc (Zn2 +) quedaran atrapados dentro de la estructura química del cátodo.

"Los cationes atrapados transforman el Mn3O4 de manera que el almacenamiento reversible del cloruro se vuelve mucho más viable, "Ji dijo." El zinc y el cloruro son contraiones entre sí, que causa interacciones favorables que conducen a propiedades sin precedentes en capacidad, potencial de operación y ciclo de vida. El cátodo de alojamiento de aniones funciona con un ánodo de metal de zinc en una batería de iones dobles de celda completa con un electrolito acuoso ".

Las baterías de iones duales tienen cationes y aniones involucrados en la reducción-oxidación electroquímica de la batería, o redox, reacción.

Las baterías de la variedad de iones duales que utilizan electrolitos acuosos (electrolitos que contienen agua) tienen "un potencial notable para el almacenamiento de energía de bajo costo, ", Dijo Ji. En comparación con las baterías de iones de litio, son mas seguros, más respetuoso con el medio ambiente y puede ser más rentable.

"Demostramos esta química de batería pendiente de patente en celdas de bolsa prototipo, que está próximo a la comercialización, ", dijo." Aún más importante, La inserción de contraiones parece una metodología con importantes implicaciones en la electrosíntesis en todo el espectro de la ciencia de los materiales. El conocimiento de la inserción de contraiones crecerá potencialmente de manera exponencial durante los próximos tres a cinco años con muchos materiales nuevos por inventar ".