Un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado un nuevo tipo de material autoensamblable para baterías que se desintegra rápidamente al sumergirse en un líquido orgánico simple. Los investigadores demostraron que el material puede actuar como electrolito en una celda de batería de estado sólido en funcionamiento y luego recuperar sus componentes moleculares originales en minutos. Este enfoque ofrece una alternativa a la trituración de la batería en una masa mixta difícil de reciclar. En cambio, dado que el electrolito actúa como capa de conexión de la batería, cuando el nuevo material recupera su forma molecular original, la batería se desmonta por completo para acelerar el proceso de reciclaje.
Actualmente, las baterías requieren productos químicos agresivos, altas temperaturas y un procesamiento complejo para su reciclaje. Una batería consta de tres partes principales: el cátodo con carga positiva, el electrodo con carga negativa y el electrolito, que transporta los iones de litio entre ellos. Los electrolitos de la mayoría de las baterías de iones de litio son altamente inflamables y se degradan con el tiempo en subproductos tóxicos que requieren un manejo especializado.
Para simplificar el proceso de reciclaje, los investigadores decidieron crear un electrolito más sostenible. Para ello, recurrieron a una clase de moléculas que se autoensamblan en agua, denominadas anfífilos de aramida (AA), cuya estructura química y estabilidad imitan la del kevlar. Además, los investigadores diseñaron los AA para que contuvieran polietilenglicol (PEG), capaz de conducir iones de litio, en un extremo de cada molécula.
Nanocintas autoensamblables
Al exponer las moléculas al agua, forman espontáneamente nanocintas con superficies y bases de PEG conductoras de iones que imitan la robustez del kevlar mediante fuertes enlaces de hidrógeno. El resultado es una estructura de nanocinta mecánicamente estable que conduce iones a través de su superficie. Cuando se agregan al agua, las nanocintas se autoensamblan para formar millones de nanocintas que pueden prensarse en caliente para obtener un material de estado sólido.
El equipo probó la resistencia y dureza del material y descubrió que soportaba las tensiones asociadas con la fabricación y el funcionamiento de la batería. También construyeron una celda de estado sólido que utilizaba fosfato de hierro y litio como cátodo y óxido de titanio y litio como ánodo, ambos materiales comunes en las baterías actuales.
Las nanocintas transportaron los iones de litio entre los electrodos con éxito, pero un efecto secundario conocido como polarización limitó el movimiento de los iones de litio hacia los electrodos de la batería durante las rápidas fases de carga y descarga, lo que redujo su rendimiento en comparación con las baterías comerciales de referencia actuales. Al sumergir la celda de la batería en disolventes orgánicos, el material se disolvió al instante, desprendiéndose cada parte para facilitar su reciclaje.
Ahora, los investigadores están explorando formas de integrar este tipo de materiales en diseños de baterías existentes, así como implementar las ideas en nuevas químicas de baterías.