Un estudio reciente explora la posibilidad de utilizar un cátodo orgánico sin cobalto para construir baterías sostenibles que puedan mantener la potencia y estabilidad del tradicional ión-litio.
Las baterías son vitales en nuestro mundo digital moderno. En un reciente número virtual de ACS Energy Letters se exponen los avances y los retos en este campo, y se ofrece información sobre el intrincado balance entre eficiencia, seguridad e impacto ambiental. Una de las principales limitaciones es la escasez de metales necesarios para los óxidos inorgánicos de los cátodos de las pilas recargables, como el cobalto, el níquel y el magnesio. En 2022, se extrajeron 187.000 toneladas métricas de cobalto, el 70% de las cuales se utilizaron en las pilas.1 Pero el cobalto elemental es escaso: se encuentra más frecuentemente en forma mineral y asociado al níquel, el cobre, la plata, el hierro o el uranio.2 Además, su extracción conlleva un costo social y se lo ha vinculado al trabajo infantil.3 Estos inconvenientes han llevado a muchos científicos a empezar a investigar cómo eliminar con éxito el cobalto de las pilas de iones de litio.4
Investigaciones anteriores habían explorado cátodos fabricados con materiales más abundantes a base de carbono y, aunque presentaban una ventaja en cuanto al costo, estos prototipos no alcanzaban la producción de energía y la estabilidad de las baterías de iones de litio tradicionales. Para solucionar este problema, una nueva investigación publicada en ACS Central Science presenta un material de electrodo orgánico estratificado con una elevada conductividad eléctrica y una gran capacidad de almacenamiento, así como propiedades que permiten la intercalación reversible de iones de litio, lo que le permite competir realmente con los cátodos de las baterías de iones de litio inorgánicas.6
El equipo utilizó bis-tetraaminobenzoquinona (TAQ) para su electrodo orgánico. La TAQ es una molécula fusionada conjugada con una estructura de capas en estado sólido, caracterizada por una densa disposición de grupos carbonilo e imina con actividad redox sobre un esqueleto conjugado. Debido a su alta conductividad y escasa solubilidad, el TAQ puro (sin aditivos) puede utilizarse directamente como cátodo en semiceldas de iones de litio. Los resultados mostraron que el cátodo optimizado almacenaba y proporcionaba una densidad energética superior a la de la mayoría de los cátodos basados en cobalto, y que podía cargarse y descargarse en tan sólo 6 minutos.
The same team previously worked on a solid zinc-ion conductor from a metal–organic framework.7 This appears to also be a promising option, and the authors note that the new material may one day enable potential applications in the emerging field of quasi-solid-state zinc-ion batteries.8 Other organic options described in this review article include nonaqueous/aqueous redox flow batteries, as well as sealed batteries including organic polymers and crystallized organic compounds.9
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El mismo equipo trabajó anteriormente en un conductor sólido de iones de zinc a partir de una estructura metal-orgánica.7 También parece ser una opción prometedora, y los autores señalan que el nuevo material puede permitir algún día aplicaciones potenciales en el campo emergente de las baterías de iones de zinc de estado casi sólido.8 Otras opciones orgánicas descritas en este artículo de revisión incluyen baterías de flujo redox no acuosas/acuosas, así como baterías selladas que incluyen polímeros orgánicos y compuestos orgánicos cristalizados.9
Los materiales orgánicos con actividad redox, derivados en su totalidad de elementos que abundan en la Tierra, ofrecen la oportunidad de desarrollar baterías sostenibles y respetuosas con el medio ambiente que puedan ampliarse para satisfacer las necesidades mundiales de producción. Los autores creen que sus nuevos resultados “demuestran la competitividad operativa de los materiales orgánicos sostenibles para electrodos en baterías prácticas”. En la actualidad, esta puede ser una opción más atractiva que el reciclado, ya que la producción con fines de recuperación aún no está a la altura de la acelerada demanda de nuevas baterías.
Referencias
- Distribution of cobalt demand worldwide in 2022, by application. Statista.com 2024.
- Cobalt. Institute of Rare Earths and Strategic Metals 2024.
- Sovacool, B. K. The precarious political economy of cobalt: balancing prosperity, poverty, and brutality in artisanal and industrial mining in the Democratic Republic of the Congo. Extr. Ind. Soc. 2019, 6, 915–939.
- Lee, S. and Manthiram, A. Can Cobalt Be Eliminated from Lithium-Ion Batteries? ACS Energy Lett. 2022, 7, 9, 3058–3063.
- Chen, T. et al. A Layered Organic Cathode for High-Energy, Fast-Charging, and Long-Lasting Li-Ion Batteries. ACS Cent. Sci. 2024.
- Iliescu, A. et al. A Solid Zn-Ion Conductor from an All-Zinc Metal–Organic Framework Replete with Mobile Zn2+ Cations. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 48, 25962–25965.
- Poizot, P. et al. Opportunities and Challenges for Organic Electrodes in Electrochemical Energy Storage. Chem. Rev. 2020, 120, 14, 6490–6557.
