Tres pasos para cargar rápidamente las baterías de potasio

Científicos rusos, encabezados por el Instituto Tecnológico de Skolkovo en Moscú (Skoltech), han añadido otra innovación a la ya larga lista de posibles alternativas a las baterías de iones de litio, demostrando que una batería de iones de potasio combina la alta capacidad de almacenamiento de un dispositivo de iones metálicos con la capacidad de carga rápida de un supercondensador.

Los investigadores comenzaron trabajando con un material polimérico orgánico que contenía fragmentos de hexaazatrifenileno. “La versatilidad es una de las ventajas clave de los materiales orgánicos”, dijo el estudiante de doctorado de Skoltech Roman Kapaev. “Sus mecanismos redox son mucho menos específicos de la naturaleza del contra ion, lo que facilita la búsqueda de una alternativa a las baterías de ion-litio. Los precios del litio continuan subiendo, por lo que tiene sentido reemplazar el material por sodio o potasio, que son más baratos e ilimitados. En cuanto a los materiales inorgánicos, las cosas son mucho más complicadas”.

El grupo encontró el material adecuado para la química de las baterías de litio, sodio y potasio y dijo que permitía una carga rápida de las baterías que mantenía su capacidad durante miles de ciclos. Sin embargo, según un artículo publicado en el Journal of Materials Chemistry A, los cátodos tienen un bajo potencial operativo en comparación con el potasio, lo que resulta en una capacidad limitada de almacenamiento de energía.

Segundo intento de cátodo

Como resultado, el grupo se trasladó a otro material orgánico de cátodos, este basado en el polímero de dihidrofenazina. “Las aminas poliméricas aromáticas pueden producir excelentes cátodos orgánicos de alto voltaje para baterías de iones metálicos”, dijo el Dr. Philipp Obrezkov, de Skoltech. “En nuestro estudio, usamos poli-N-fenil-5,10-dihidrofenazina en el cátodo de la batería de potasio por primera vez.”

Eso llevó al grupo a desarrollar una batería –descrita en un segundo artículo, publicado en The Journal of Physical Chemistry Letters– que alcanzó una energía específica de 593 Wh/kg, una cifra que, según Obrezkov, es un valor récord para todos los cátodos de baterías de iones de potasio conocidos.

El grupo luego combinó el cátodo con una aleación de potasio-sodio aplicada sobre papel carbón, como ánodo. Con esa combinación fueron capaces de crear una batería que de nuevo ofrecía un fuerte rendimiento de capacidad de energía, perdiendo sólo el 11% después de 10.000 ciclos. El dispositivo, descrito en un tercer artículo, en Chemical Communications, también demostró una potencia de casi 100.000 W/kg, que según el grupo es un nivel que normalmente solo se observa con los supercondensadores.

“Hemos demostrado que los materiales orgánicos electroactivos pueden allanar el camino para una nueva generación de dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica que combinan las ventajas de las baterías de iones metálicos y los supercapacitores”, dijo el líder del grupo y profesor asociado de Skoltech, Pavel Troshin, “eliminando así la necesidad de costosos compuestos metálicos de transición y litio”.