Un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Tohoku y la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) ha logrado un progreso significativo hacia las baterías de iones de litio libres de metales y 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 rentables, de alta energía y libres de metales.

A diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales que se basan en materiales de tierras raras como el cobalto y el litio, las baterías orgánicas utilizan elementos naturalmente abundantes como el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno y el oxígeno. Además, las baterías orgánicas tienen capacidades teóricas mayores que las baterías tradicionales de iones de litio porque el uso de materiales orgánicos las hace livianas. Sin embargo, la mayoría de las baterías orgánicas reportadas hasta ahora tienen un voltaje de trabajo relativamente bajo (1–3 V). 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 sobre 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 se usa como litio- Material de cátodo de batería de iones, mantiene un fuerte voltaje de trabajo de aproximadamente 4V.

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Una ilustración de ácido crocónico y una imagen de baterías de iones de litio orgánicas de alto voltaje respetuosas con el medio ambiente. © Yuto Katsuyama et al.

El ácido crocónico tiene cinco átomos de carbono unidos 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 mayor que los materiales de cátodo de las baterías de iones de litio tradicionales (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», dice Kobayashi. «Descubrimos que el ácido crocónico almacena iones de litio a alrededor de 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 en este estudio no se alcanzó la capacidad teórica, los investigadores son optimistas de que esto se puede mejorar mediante el desarrollo de electrolitos estables a alto voltaje y modificaciones químicas del ácido crocónico. Dado que la mayoría de los electrolitos no pueden soportar un voltaje de trabajo tan fuerte del ácido crocónico, el desarrollo de nuevos electrolitos es crucial. 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 da como resultado una mayor capacidad y reversibilidad.

Cortesía de la Universidad de Tohoku.


 

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