IMDEA Energía desarrolla baterías orgánicas avanzadas de alto rendimiento sin comprometer el objetivo de almacenamiento de energía seguro y sostenible
El desarrollo de baterías recargables seguras y rentables es vital para lograr reducir la huella de carbono en procesos y tecnologías de generación y almacenamiento de energía más sostenibles. Sin embargo, casi todas las baterías comerciales, incluidas las tecnologías de iones de litio más eficientes, contienen elementos tóxicos, escasos o nocivos para el medio ambiente. Un ejemplo es que los materiales activos que forman las baterías de iones de litio comerciales están basados en elementos inorgánicos que en algunos casos son muy escasos en la corteza terrestre (Litio, Cobalto, etc.) y están localizados en países donde prevalecen unas condiciones laborales muy precarias para su extracción. Bajo estas premisas, las baterías actuales difícilmente cumplen con los requerimientos de sostenibilidad a los que aspiramos como sociedad.
Se prevé que las baterías acuosas de zinc sean una solución atractiva para aplicaciones viables, de alto rendimiento y de almacenamiento de energía a gran escala, pero su avance se ve obstaculizado en gran medida por la falta de electrolitos acuosos adecuados y cátodos sostenibles.
En la Unidad de Procesos Electroquímicos del Instituto IMDEA Energía se ha creado un equipo multidisciplinar de investigadores que incluye químicos orgánicos especializados en síntesis de moléculas y polímeros, expertos en electroquímica y expertos en computación teórica para diseñar materiales sostenibles e integrarlos en baterías avanzadas. En este sentido, la batería acuosa de zinc-polímero que recientemente ha desarrollado IMDEA Energía y que se acaba de publicar en “Advanced Energy Materials”, una de las revistas más prestigiosas del campo, cumple al mismo tiempo con los criterios de sostenibilidad y de prestaciones necesarios.
Métricas de rendimiento de la batería de zinc-poli (catecol) junto con una representación esquemática del comportamiento electroquímico tanto del cátodo (poli (catecol) en verde) y el ánodo (zinc metálico en rojo) en un electrolito acuoso optimizado de 4 m Zn (TFSI)2.
Esta batería comprende un ánodo metálico de Zinc que es un elemento abundante y de alta capacidad, y un cátodo de origen orgánico. Las ventajas de utilizar materiales orgánicos es que éstos contienen elementos abundantes (carbono, hidrógeno, oxígeno, etc.) y que pueden sintetizarse en cualquier laboratorio mediante métodos fácilmente escalables. Además, la batería utiliza un electrolito acuoso e intrínsecamente seguro lo que hace a esta tecnología especialmente apta para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala donde la seguridad y el coste son factores clave. El electrolito acuoso utilizado está basado en una sal de zinc en alta concentración, Zn(TFSI)2, que supera las prestaciones de los electrolitos acuosos investigados hasta el momento que están basados en sulfato de zinc, ZnSO4. Este nuevo electrolito ha demostrando una mejor compatibilidad tanto con el ánodo de zinc como con el cátodo de polímero obteniéndose mayores eficiencias y mayor reversibilidad lo que redunda en una batería que soporta más ciclos de carga y descarga sin perder capacidad. El cátodo de polímero, sintetizado también en los laboratorios de IMDEA Energía, pertenece a la familia de los poli(catecoles) y presenta un conjunto de características que le hacen muy atractivo como cátodo. Estas características son; i) elevado potencial redox, lo que da lugar a una batería de mayor voltaje, ii) alta reversibilidad, lo que hace posible que la batería opere un número muy elevado de ciclos sin perder capacidad, iii) elevada cinética de reacción redox, posibilitando que la batería funcione a alta potencia e incluso a bajas temperaturas.
En consecuencia, esta batería acuosa alcanzó un voltaje de 1,2 V, y valores de capacidad específica tan altos como 324 mAh g-1 cuando la batería es cargada en 1 hora (1C). Esto da lugar a una batería acuosa con una densidad de energía de 384 Wh/kgcátodo. Además de esta elevada densidad de energía, esta batería también presenta una altísima potencia específica ~161 kW/kgcátodo, pudiendo soportar cargas ultrarápidas manteniendo valores altos de capacidad. En particular, en la reciente publicación científica en Advanced Energy Material, se ha demostrado que la batería puede cargarse en tan solo 8 segundos (450C) manteniendo capacidades muy aceptables de 98 mAh g-1. Además de estas prestaciones obtenidas a temperatura ambiente, y que se mantienen durante un número muy elevado de ciclos (> 45.000), la batería es capaz de operar también a temperaturas tan bajas como –35 °C manteniendo una capacidad de 178 mAh g-1 para cargas de 1 hora (1C).
Este comportamiento electroquímico es superior al de la mayoría de los sistemas desarrollados hasta el momento, lo que pone de manifiesto la importancia del enfoque combinado para desarrollar baterías orgánicas avanzadas de alto rendimiento sin comprometer el objetivo de almacenamiento de energía seguro y sostenible.
Referencia bibliográfica:
(*) An Ultrahigh Performance Zinc‐Organic Battery using Poly(catechol) Cathode in Zn(TFSI) 2‐Based Concentrated Aqueous Electrolytes. Gallastegui, Patil, N.; Cruz, C.; Ciurduc, D.; Mavrandonakis, A.; Palma, J.; Marcilla, R. Adv. Energy Mater. 2021, 2100939, doi:10.1002/aenm.202100939.
