La unión, el almacenamiento y el transporte de protones difieren de los de otros cationes metálicos. Crédito: materia (2025). Doi: 10.1016/j.matt.2025.102165
Un equipo de investigación dirigido por el Prof. Pan Feng de la Escuela de Materiales Avanzados, la Escuela de Graduados de la Universidad de Pekín Shenzhen ha descubierto mecanismos clave que rigen cómo se almacenan y transportan los protones en baterías acuosas.
El estudio proporciona información crítica que podrían conducir a alternativas más seguras, más rápidas y de mayor capacidad a las baterías de iones de litio actuales. Publicado en Matter, el estudio titulado “Almacenamiento de protones y transferencia en baterías acuosas“Revela cómo la ingeniería de red de enlaces de hidrógeno permite un almacenamiento y transporte de protones eficientes.
Las baterías acuosas, que usan electrolitos a base de agua, son inherentemente más seguras que los sistemas de iones de litio, pero tradicionalmente han sufrido una menor densidad de energía. Los protones, debido a su baja masa y alta movilidad, tienen una gran promesa, pero su compleja química tiene una aplicación limitada del mundo real.
El equipo de Pan demuestra que los protones se mueven a través de un mecanismo de tipo grotthuss, saltando entre enlaces de hidrógeno en lugar de difundir como iones metálicos. Esto permite el transporte ultra rápido, “sin difusión” y coloca a los protones como portadores de carga ideales para baterías acuosas de alto rendimiento.
Esta investigación aborda un desafío de larga data en el almacenamiento de energía: lograr la seguridad y el alto rendimiento. Al revelar cómo las redes de enlaces de hidrógeno facilitan el almacenamiento y el transporte de protones, el estudio sienta una base teórica sólida para una nueva generación de sistemas de energía que podrían igualar o exceder la tecnología de iones de litio.
A diferencia de el litio (Li+) y el sodio (Na+), que forman enlaces iónicos estables con oxígeno en marcos de cristal rígidos, los protones (H⁺) forman más enlaces H – O saturables y no se integran en redes de la misma manera.
Características de transporte de protones en la interfaz electrodo/electrolito. Crédito: materia (2025). Doi: 10.1016/j.matt.2025.102165
Una contribución significativa del estudio es la propuesta de tres estrategias centrales para optimizar el rendimiento de la batería acuosa utilizando la ingeniería de red de enlaces de hidrógeno.
Primero, en el diseño de electrodos, los investigadores sugieren que incrustar redes de enlaces de hidrógeno o hidrógeno que contienen agua o que contienen agua dentro de materiales de estado sólido para crear vías bien definidas para el transporte de protones.
En segundo lugar, a través del ajuste de los electrolitos, demuestran que ajustar la concentración de ácidos y el tipo de aniones presentes en el electrolito puede estabilizar y mejorar la conductividad del protones.
En tercer lugar, en términos de ingeniería de interfaz, el equipo muestra que la modificación de la superficie del electrodo, como la introducción de grupos hidroxilo (–OH) y carboxilo (–COOH) que usan el tratamiento con plasma de oxígeno, puede crear canales de puñetazo de protones que disminuyen significativamente la resistencia a la transferencia de carga interfacial y mejorar la cinética de reacción.
Juntas, estas estrategias forman un marco unificado que aclara el comportamiento de los protones en los sistemas acuosos y allana el camino para un almacenamiento de energía más seguro, más rápido y más eficiente.
Este estudio allana el camino para las baterías acuosas a base de protones de próxima generación que combinan seguridad con alto rendimiento.
Mediante la ingeniería de redes de enlaces de hidrógeno, los dispositivos futuros podrían lograr una mayor densidad de energía, carga más rápida y una vida útil más larga, las aplicaciones que avanzan desde el almacenamiento en la red hasta la electrónica portátil y los vehículos eléctricos.
Más información: Runczhi Qin et al, almacenamiento de protones y transferencia en baterías acuosas, materia (2025). Doi: 10.1016/j.matt.2025.102165
Proporcionado por la Universidad de Pekín
Cita: El futuro de las baterías acuosas: desde enlaces de hidrógeno hasta alto rendimiento (2025, 7 de julio) Recuperado el 7 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-future- acuzo-batteries-bonds.html
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