Las celdas de combustible de hidrógeno representan una de las tecnologías más prometedoras para el futuro sostenible de la energía, destacándose por su capacidad para ofrecer soluciones energéticas limpias y eficientes. Dentro de este campo, las baterías de hidrógeno-cloro (H2-Cl2) emergen como una opción valiosa debido a su rápida cinética electroquímica y alta capacidad específica. Un equipo de investigación liderado por el Prof. Chen Wei de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), bajo la Academia China de Ciencias (CAS), ha presentado un nuevo diseño para estas baterías, capaz de operar en un amplio rango de temperaturas, desde los -70°C hasta los 40°C, según se divulga en el Journal of the American Chemical Society.

Desafíos de las Baterías de Cloro Actuales

A pesar de sus ventajas, las baterías de H2-Cl2 enfrentan un problema significativo: la retención del gas cloro durante el proceso de carga, lo que afecta negativamente su eficiencia Coulómbica y su reversibilidad. La volatilidad del cloro gas ha limitado seriamente la aplicabilidad de estas baterías en diferentes entornos de temperatura.

Innovación en el Diseño de la Batería

Para superar estos obstáculos, el equipo de investigación diseñó un cátodo de carbono poroso jerárquico, combinando carbono micro-/mesoporoso altamente poroso (HPC) con fieltro de carbono macroporoso (CF). Esta estructura permite confinar eficazmente el Cl2 en el cátodo, mejorando la reversibilidad y eficiencia del proceso.

Resultados del Estudio

Los resultados mostraron que las celdas H2-Cl2 mantienen una alta eficiencia Coulómbica y estabilidad, funcionando de manera constante durante 500 ciclos con una capacidad de descarga de 3 mAh cm-2. Además, demostraron un rendimiento excepcional a temperaturas ultrabajas, manteniendo un voltaje de descarga de 1.1 V y una capacidad específica de 282 mAh g-1 a -70°C.

Mecanismo de Mejora de la Reversibilidad

Mediante el uso de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) combinado con cálculos teóricos, el equipo descubrió que la reacción Cl2/Cl ocurre junto con la formación y ruptura reversible de enlaces C-Cl, lo que mejora significativamente la reversibilidad de los cátodos Cl-2/Cl.

Este estudio abre nuevas direcciones para el diseño de baterías de cloro acuosas y baterías de hidrógeno de alta densidad energética, ofreciendo soluciones para el almacenamiento de energía en un amplio rango de temperaturas. La innovación presentada promete impulsar el desarrollo de tecnologías energéticas más sostenibles y eficientes.

La investigación liderada por el Prof. Chen Wei marca un hito importante en el campo de las baterías de hidrógeno-cloro, superando desafíos previos y ofreciendo una solución viable para su aplicación en condiciones extremas de temperatura. Este avance no solo mejora la eficiencia y reversibilidad de estas baterías, sino que también amplía las posibilidades para su uso en un futuro sostenible.

Más información: Zehui Xie et al, La batería recargable de hidrógeno y cloro funciona en un amplio rango de temperaturas, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c09819