"Autopista" de protones podría revolucionar baterías de alta potencia

Mecanismo químico descrito hace 200+ años, podría potenciar tecnología de almacenamiento energético para redes y autos eléctricos

Investigadores adscritos a la estadounidense Universidad Estatal de Oregón publicaron el 28 de enero de 2019 un artículo científico donde exponen un descubrimientoque promete revolucionar baterías de alta potencia. Es decir, aquellas empleadas en redesy autoseléctricos; mediante una "autopista" de protones podría acelerarse de manera significativa la mejora del almacenamiento de energía.

Un mecanismo químico descrito por Theodor von Grotthuss en su teoría sobre el transporte de carga en electrolitos (Lituania, 1806) fue clave en el desarrollo de la investigación dirigida por Xiulei Jique llevó a la demostración de que la difusión puede no ser necesaria para transporte de cargas iónicas dentro de una estructura de estado sólido hidratada de un electrodo de batería.

Xianyong Wu, estudiante postdoctoral y autor principal del artículo, declaró:"Este descubrimiento potencialmente cambiará todo el paradigma de almacenamiento de energía electroquímica de alta potencia con nuevos principios de diseño para electrodos". Por su parte, Ji complementó: "Ha sido un gran desafío crear unelectrodo de Faradaicque proporcione la densidad de energía de la batería y la potencia del condensador con unaexcelente vida útil".

Hasta ahora, según señaló el director de la investigación, la mayor parte de los trabajos investigativos se ha dedicado a los iones metálicos, comenzando con el litio y mirando hacia abajo en la tabla periódica; el hidrógeno, un no metal, encabeza el grupo 1 al ser parte del periodo 1; el litio, un metal alcalino, es el segundo elemento del primer grupo, pertenece al periodo 2. Sin embargo, el equipo fijó su atención en el protón único del hidrógeno.

Lo que ahora se conoce como el mecanismo de Grotthuss consiste en lo siguiente: de molécula a molécula, se da una sucesión de "saltos" de protones (liberaciones e hidrataciones de cationes hidrógeno) mediante una red de puentes de hidrógeno. Y así es como funciona: la carga eléctricase realiza cuando un átomo de hidrógeno que une dos moléculas de agua "cambia su lealtad" de una molécula a otra.

Se forma, entonces, una "autopista" de protones: se desencadena una cadena de desplazamientos similares en toda la red de enlaces de hidrógeno. "El movimiento es como en el péndulo Newton: los desplazamientos locales correlacionados conducen al transporte de protones a larga distancia, que es muy diferente de la conducción de iones metálicos en electrolitos líquidos, donde los iones solvatadosse difuminan en largas distancias individualmente de manera vehicular", explicó Wu.

Ji complementó: "Las vibraciones cooperativas de los enlaces de hidrógeno y los enlaces covalentes de hidrógeno y oxígeno prácticamente entregan un protón de un extremo de una cadena de moléculas de agua al otro extremo sin transferencia de masa dentro de la cadena de agua". En palabras del investigador, esta carrera molecular de relevos es la esencia de un conducto de carga fantásticamente eficiente.

"Si este mecanismo se instala en los electrodos de la batería, el protón no tiene que atravesar los orificios estrechos de las estructuras de cristal. Si diseñamos materiales con el fin de facilitar este tipo de conducción, este conducto está listo: tenemos esta mágica autopista de protones construida como parte de la red", aseguró Ji. Los 15 investigadores participantes en este proyecto revelaron además el rendimiento de extremadamente alta potencia de un electrodo de azul de Turnbull (análogo del azul de Prusia conocido por la industria del tinte).

No obstante, científicos computacionales han hecho enormes progresos en la comprensión de cómo el salto de protones ocurre en el agua, la teoría de Grotthuss nunca se había explorado detalladamente antes para aprovecharse en almacenamiento de energía; la investigación aquí expuesta tiene el objetivo de materializar el impacto de esta teoría. Pero todavía hay trabajo por hacer a fin de lograr cargas y descargas ultrarrápidasen baterías prácticas para transporteo almacenamiento de energía en redes: "Sin la tecnología adecuada que involucra la investigación de científicos de materiales eingenieros eléctricos, todo esto es puramente teórico", advirtió Ji.

En suma, esta "autopista" de protonespodría revolucionar baterías de alta potencia, pero primero es necesario trabajar en la ingeniería requerida para desarrollar dispositivos de consumo concargas o descargas de por debajo de un segundo. "En este momento, la comunidad de baterías se centra en el litio, el sodioy otrosiones metálicos, pero los protones son probablemente los portadores de carga más intrigantes y con vastos potenciales desconocidos", concluyó el director de la investigación.

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