Cosas clave que debe saber:
- Avanzando la AIB Tecnología: Las baterías de iones de amonio (AIB) ofrecen una alternativa más segura y respetuosa con el medio ambiente que las baterías tradicionales, ya que utilizan acetato de amonio (NH4Ac) que previene el crecimiento dendrítico y mejora la vida útil de la batería.
- Materiales de ánodo innovadores: Los desarrollos recientes en materiales anódicos como MXenes, explorados mediante cálculos DFT, muestran un rendimiento prometedor de bajo voltaje y alta densidad de energía.
- Comportamiento pseudocapacitivo: Los ánodos MXene en los AIB exhiben un comportamiento pseudocapacitivo único con NH4Ac, logrando una alta capacidad y estabilidad durante 5000 ciclos, un avance significativo con respecto a otros materiales.
- Mejoras respaldadas por investigaciones: Estudios como los de Sun et al. confirman los beneficios del uso de acetato de amonio, mejorando la seguridad y eficacia general de los AIB.
Muchos arquitecturas de batería ahora existen a medida que ingenieros y científicos intentan pasar de Baterías de iones de litio intentar traer nuevos sistemas de baterías que tengan altas densidades de energía, puedan cargarse más rápido o sean más respetuosos con el medio ambiente. En los últimos años, se han comercializado muchas arquitecturas de baterías nuevas después de años de desarrollo académico, y otras baterías nuevas están comenzando a ocupar su lugar en el mundo académico.
Una de estas baterías son las baterías de iones de amonio (AIB), que utilizan electrolitos acuosos, por lo que son más seguras y menos propensas a la fuga térmica. Los AIB tienen bajo costo, estabilidad inherente, buenas propiedades electroquímicas y son amigables con el medio ambiente. Esta es un área más nueva de investigación de baterías en comparación con algunos de los sistemas más establecidos, y si bien existe el potencial de crear baterías más respetuosas con el medio ambiente, los AIB se han visto frenados por desafíos en el diseño de ánodos.
El potencial de las baterías de amonio
Los AIB son baterías recargables que utilizan iones de amonio (NH4+) como portadores de carga. En comparación con los iones metálicos tradicionales (Li+, Na+, K+, Zn2+ y Mg2+), los iones de amonio tienen características de difusión rápida en electrolitos acuosos (a base de agua) debido a que tienen un radio iónico más pequeño y una masa molar más liviana. Los iones de amonio tampoco experimentan crecimiento dendrítico, que a menudo es responsable del cortocircuito de la batería, a diferencia de muchos baterías de iones metálicos, por lo que existe la posibilidad de crear baterías más seguras que se degraden más lentamente. Los electrolitos de iones de amonio también son más respetuosos con el medio ambiente que los disolventes orgánicos utilizados en las baterías de iones metálicos y también son mucho más baratos. Uno de los electrolitos más comunes es el acetato de amonio (NH4Ac).
Para subrayar aún más los beneficios ambientales y la seguridad operativa de los AIB, estudios recientes, como los de Sun et al., destacan el papel de los electrolitos de acetato de amonio (NH4Ac) en la mejora de la estabilidad y la capacidad de estas baterías. A diferencia de los electrolitos tradicionales, el NH4Ac ayuda a prevenir la formación de dendritas, que a menudo suponen un importante peligro para la seguridad en el funcionamiento de las baterías. Esta característica no sólo mejora la seguridad sino que también extiende significativamente el ciclo de vida de la batería, lo que convierte a los AIB en una opción más sostenible a largo plazo.
Todas estas características muestran que existe un gran potencial para los AIB, especialmente porque estas características a menudo se consideran ventajas sobre las baterías de iones metálicos, que se han convertido en el estándar comercial en la actualidad. Se ha trabajado mucho en el diseño de cátodos de los AIB y ahora se pueden lograr altas capacidades específicas. Los ejemplos de cátodos incluyen materiales a base de níquel, manganeso y vanadio. Sin embargo, no se ha invertido tanto esfuerzo en el diseño del ánodo, y la interacción entre el ánodo y el electrolito es un área que aún necesita desarrollarse más.
Desarrollos en nuevos materiales anódicos
El ánodo es actualmente el factor limitante para los AIB, ya que hasta la fecha no hay muchos materiales de ánodo que tengan un voltaje de trabajo bajo. El desarrollo de ánodos AIB se ha limitado principalmente a óxidos/sulfuros de metales de transición y polímeros orgánicos. Estos no son materiales ideales porque los compuestos de metales de transición tienden a tener capacidades deficientes y el ánodo de polímero tiene una alta velocidad de disolución, lo que conduce a una mala estabilidad del ciclo. Esto ha hecho que muchos de los AIB desarrollados hasta la fecha sean inviables para aplicaciones prácticas.
A pesar de los desafíos materiales, se siguen ofreciendo y probando nuevos materiales. Una clase de materiales que se ha promocionado como una solución potencial es MXenes. Los MXenes son materiales 2D que se crean a partir de un material de fase MAX, que tiene la fórmula general de Mn+1AXn. En esta estructura química, M es un metal de transición temprano, A es un elemento del grupo 13 o 14 y X es carbono o nitrógeno.
Los MXene tienen una variedad de propiedades que son beneficiosas para los electrodos. Por ejemplo, tienen una excelente conductividad eléctrica y una alta actividad superficial, y la forma en que las capas se apilan una encima de otra es deseable para el almacenamiento de iones, especialmente en comparación con otros tipos de nanomateriales. Por lo tanto, los MXenes se consideran un beneficio potencial para los AIB, y actualmente se está realizando mucho trabajo teórico para ver si vale la pena explorarlos más a fondo de manera experimental.
El potencial de los MXenes como materiales anódicos eficaces en baterías de iones de amonio está respaldado por cálculos detallados de la teoría funcional de la densidad (DFT). Como se ilustra en la Figura 1 a continuación, estos cálculos revelan el bajo potencial de trabajo y el alto comportamiento pseudocapacitivo de los materiales MXene, específicamente V2CTx, lo que sugiere su idoneidad para aplicaciones de alto rendimiento en tecnología de baterías.
a Se muestra la perspectiva lateral del modelo estructural para V2CTx MXene. Las esferas coloreadas en gris, negro y naranja representan terminaciones V, C y T, respectivamente. antes de Cristo Se muestran respectivamente las curvas de potencial electrostático promediadas en el plano para V2CO2 y V2CF2. d Se ilustra la curva de potencial electrostático promediada en plano para 1T-MoS2. e Se demuestra la correlación entre la función de trabajo y la ventana de potencial operacional de los materiales bidimensionales estudiados en esta investigación.
Para corroborar la idoneidad de MXenes para aplicaciones AIB, la investigación descrita en Nature Communications por Sun et al. analiza las propiedades pseudocapacitivas de los V2CTx MXenes cuando se usan con electrolitos NH4Ac. Estos materiales no sólo prometen menores potenciales de trabajo sino que también demuestran una mayor estabilidad y densidad de energía, cruciales para las baterías de alto rendimiento. La alta actividad superficial inherente de los MXenes mejora su eficiencia, lo que hace avanzar significativamente la fabricación de ánodos en tecnologías de baterías sostenibles.
Los cálculos DFT sugieren el mejor electrolito acuoso para ánodos MXene
La teoría funcional de la densidad (DFT) es una técnica bien establecida en el campo de la teoría y química computacional y a menudo se utiliza para modelar y probar las propiedades de diferentes sistemas materiales para ver si son factibles para una aplicación particular (así como para deducir su estructura). Los cálculos de DFT han demostrado que el MXene, V2CTx, tiene la ventana de potencial de trabajo más baja en comparación con otros materiales a base de vanadio, por lo que tiene el potencial de ser un material de ánodo prometedor para los AIB.
Los investigadores ahora han profundizado en este ánodo MXene utilizando una combinación de cálculos DFT y métodos de caracterización física de materiales para ver cómo interactúa con el electrolito acuoso e investigar cómo podría ser el rendimiento de estos ánodos. Los investigadores descubrieron que este ánodo MXene exhibe un comportamiento pseudocapacitivo para el almacenamiento de iones de amonio, con una capacidad específica de 115.9 mAh g-1 a 1 A g-1 y una retención de capacidad del 100% después de 5000 ciclos a 5 A g-1.
A pesar de que se probaron muchos electrolitos acuosos con el ánodo MXene, incluidos (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 y NH4Me, el único electrolito donde el ánodo MXene mostró este comportamiento pseudocapacitivo fue con el electrolito de acetato de amonio NH4Ac. El comportamiento pseudocapacitivo exhibido entre el ánodo MXene y el electrolito NH4Ac supera a todos los electrodos de tipo capacitivo en los AIB hasta la fecha.
Para sondear las propiedades del ánodo y su interacción con el electrolito, in situ Se tomaron mediciones electroquímicas de microbalanza de cristal de cuarzo (EQCM) que mostraron un proceso electroquímico de dos pasos que genera el comportamiento de almacenamiento pseudocapacitivo en el electrolito de acetato de amonio.
Los resultados experimentales fueron seguidos por cálculos y simulaciones de DFT para comprender mejor este proceso electroquímico. La primera parte del proceso implicó la adsorción/deposición electrostática de NH4+ en la superficie de MXene. En el segundo paso del proceso, tiene lugar una reacción redox entre los grupos d-V2CTx del ánodo y los grupos [NH4+(HAc)3] del electrolito. Durante este proceso redox, el ion NH4+ central actúa como un pseudoprotón, lo que facilita la alternancia de terminaciones V2CTx. Esto luego cambia el estado de valencia de los iones de vanadio en el complejo, promoviendo la transferencia de carga.
El uso innovador de acetato de amonio en AIB basados en MXene no solo mejora la estabilidad electroquímica sino que también mejora la capacidad de almacenamiento de energía, como detalla Sun et al. Este avance se atribuye a la interacción única entre los iones NH4+ y el electrolito, que facilita el transporte eficiente de iones y una sólida estabilidad del ciclo, sentando las bases para soluciones de almacenamiento de energía de próxima generación.
Los investigadores también confirmaron el efecto de mejora de los iones acetato en una batería de iones de amonio basada en MoS2 (otro material 2D de la familia de dicalcogenuros de metales de transición). La capacidad de usarse con diferentes materiales significa que el electrolito de acetato podría usarse junto con diferentes materiales 2D para mejorar la capacidad de los AIB. Este enfoque también tiene el potencial de romper las limitaciones de capacidad tanto en Faradaic (redox) como en no Faradaic (solo interacciones electrostáticas) y podría ofrecer una manera de mejorar diferentes AIB y conducir a la creación de baterías más sostenibles.
Impacto ambiental y consideraciones de seguridad de las baterías de iones de amonio
El cambio hacia las baterías de iones de amonio (AIB) no es solo una mejora técnica con respecto a los sistemas de baterías tradicionales, sino también un importante paso adelante en la conservación del medio ambiente. Los AIB utilizan materiales menos peligrosos e implican reacciones químicas más seguras, lo que reduce el riesgo de accidentes y disminuye la contaminación ambiental. Estudios como los de Sun et al. en Nature Communications han demostrado que el uso de electrolitos más seguros, como el acetato de amonio, mitiga significativamente riesgos como la fuga térmica y la lixiviación química, lo que convierte a los AIB en la opción preferida para el almacenamiento de energía sostenible.
Referencia:
Sun Z. et al., Un electrolito de acetato para una capacidad pseudocapacitiva mejorada en baterías acuosas de iones de amonio, Nature Communications, 15, (2024), 1934.