Batería de aire de estado sólido totalmente recargable

Los investigadores de la Universidad de Waseda han desarrollado una batería de aire de estado sólido recargable (SSAB) y han llevado a cabo una extensa investigación sobre su capacidad y durabilidad.

Los metales son comunes en los electrodos negativos de las baterías, pero las moléculas orgánicas redox activas, como las moléculas a base de quinona y amina, ahora se utilizan en baterías recargables de metal-aire con electrodos positivos reductores de oxígeno. Los protones y los iones de hidróxido experimentan reacciones redox, lo que da como resultado baterías de alto rendimiento cercanas a la capacidad máxima teórica.

Investigadores japoneses de la Universidad de Waseda han desarrollado una batería recargable de aire de estado sólido (SSAB) y han estudiado su capacidad y durabilidad. Las baterías de aire recargables con moléculas orgánicas activas redox ofrecen ventajas sobre las baterías de base metálica porque evitan problemas como la formación de dendritas y los impactos ambientales negativos.

Los investigadores utilizaron 2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona (DHBQ) y su polímero poli(2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona-3,6-metileno) (PDBM) como materiales activos de electrodos negativos. . Estos fueron elegidos debido a sus reacciones redox estables y reversibles en condiciones ácidas. Utilizaron un polímero conductor de protones llamado Nafion como electrolito sólido para reemplazar los electrolitos líquidos. Después de implementar el SSAB, los investigadores probaron su rendimiento de carga y descarga, sus características de velocidad y su capacidad de ciclo. A diferencia de las baterías de aire tradicionales con electrodos negativos de metal y electrolitos líquidos orgánicos, el SSAB no mostró degradación cuando se expuso al agua y al oxígeno.

Reemplazar DHBQ con PDBM mejoró el electrodo negativo. SSAB-DHBQ tenía una capacidad de descarga de 29,7 mAh/g mientras que SSAB-PDBM alcanzó 176,1 mAh/ga ​​una densidad de corriente de 1 mAcm-2. Los investigadores observaron que SSAB-PDBM tenía una eficiencia de Coulombic del 84 % a 4 °C, que disminuyó al 66 % a 101 °C. Después de 30 ciclos, la capacidad de descarga de SSAB-PDBM se redujo al 44 %, pero al aumentar el contenido de polímero conductor de protones en el electrodo negativo, los investigadores pudieron mejorarlo significativamente al 78 %. Las micrografías electrónicas confirmaron que la adición de Nafion mejoró el rendimiento y la durabilidad del electrodo basado en PDBM.

El estudio muestra el funcionamiento exitoso de SSAB con moléculas orgánicas como electrodo negativo, un polímero como electrolito y un electrodo positivo reductor de oxígeno. Los investigadores tienen como objetivo avanzar en la tecnología para una mayor duración de la batería de los dispositivos y una sociedad libre de carbono.

Investigación: Makoto Yönenaga et al., Baterías de aire recargables de estado sólido que utilizan dihidroxibenzoquinona y su polímero como electrodo negativo, Edición Internacional de Química Aplicada (2023). DOI: 10.1002/anie.202304366