Aunque los diseños de baterías actuales, como esta batería de celda de monedas, usan solo cantidades mínimas de PFA, la tendencia de la industria ha sido recurrir a los “productos químicos para siempre” dañinos al diseñar tecnologías de batería de próxima generación más grandes. Crédito: Stephen L. Garrett
Chibueze Amanchukwu quiere arreglar baterías que aún no se han construido. La demanda de baterías está en aumento para los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía a nivel de cuadrícula necesaria para hacer la tierra de los combustibles fósiles. Pero más baterías significarán más un conjunto peligroso de materiales utilizados para construirlos: PFA, también conocidos como “Forever Chemicals”.
“Para abordar nuestras necesidades como sociedad para vehículos eléctricos y almacenamiento de energía, estamos presentando más desafíos ambientales”, dijo Amanchukwu, profesor asistente de la familia de Neubauer de Ingeniería Molecular en la Escuela de Ingeniería Molecular de Uchicago Pritzker (Uchicago PME). “Puedes ver el dilema”.
Los PFA son una familia de miles de productos químicos que se encuentran en las baterías, pero también todo, desde envoltorios de comida rápida y champú hasta espuma y pantalones de yoga. Evitan que los huevos revueltos se adhieran a las sartenes y la lluvia de remojar a las chaquetas y la pintura, pero la misma resistencia al agua que los hace útiles también los hace difíciles de eliminar cuando entran en el suministro de agua. Esto les valió el apodo de “Forever Chemicals”.
Aunque Amanchukwu y otros equipos de investigación de Uchicago PME están trabajando en técnicas de extracción, con la tecnología actual, los PFA permanecen en el agua para siempre.
Algunos PFA se han relacionado con retrasos en el desarrollo en niños, disminución de la fertilidad, el aumento del riesgo de cáncer y disminuyeron la respuesta inmune. Se han encontrado PFA en agua, aire, peces y suelo, y en la sangre de personas y animales alrededor del planeta.
“Esto es lo que hemos hecho como sociedad”, dijo Amanchukwu. “Hacemos un material increíble o un dispositivo increíble, y luego nos damos cuenta de que no es bueno para el medio ambiente, y luego luchamos para ver si podemos reemplazarlo”.
El laboratorio Amanchukwu en Uchicago PME quiere voltear ese guión. En dos artículos recientes, el equipo diseñó dos nuevas familias de solventes sin PFA que hacen componentes ideales para las baterías de próxima generación. El objetivo es adelantarse a la contaminación de las PFA, brindando a los futuros investigadores un conjunto de productos químicos seguros pero poderosos para explorar al diseñar baterías, convirtiendo “productos químicos para siempre” en “nunca productos químicos”.
“Necesitamos baterías de próxima generación, pero para la mayoría de la investigación actual, están utilizando PFA”, dijo Peiyuan MA, Ph.D.’24, el primer autor de ambos documentos. “Es por eso que comenzamos a hacer nuestra investigación, para dar a las personas al menos la oportunidad de usar los materiales que no son PFA”.
Avanzar de siempre
Los PFA constituyen una parte relativamente pequeña de una batería moderna. El terminal positivo de una batería, llamado cátodo, utiliza una pequeña cantidad de un químico PFAS llamado difluoruro de polivinilideno como aglutinante, un pegamento para mantener juntas las partículas. Mientras tanto, los electrolitos de la batería usan solventes fluorados, pero no todos los compuestos fluorados son PFA.
El problema no es el electrolito en las baterías de corriente. Son los futuros.
La demanda de la batería está aumentando, pidiendo más y mejores baterías. Cuando surgen problemas de diseño, la solución predeterminada de la comunidad científica a menudo se convierte en PFA útiles pero peligrosos, dijo Amanchukwu.
“Estamos exigiendo más baterías y más de nuestras baterías. Queremos un rendimiento de baja temperatura. Queremos un rendimiento de alta temperatura. Queremos una carga rápida. Queremos baterías de metal de litio. Estas son cosas que exigimos como consumidores”, dijo Amanchukwu. “Lo que la literatura científica está haciendo ahora es decir: ‘Oh, agregemos más componentes fluorados al electrolito’. Casi todos se considerarán PFA “.
Uno de los artículos recientes del equipo, publicado en ACS Energy Letters, creó solventes no PFA parcialmente fluorados para baterías de iones de litio. El otro, publicado en el Journal of the Electrochemical Society, diseñó solventes completamente no fluorados para las baterías de metal de litio que actualmente se exploran como una alternativa de mayor energía al iones de litio.
“En nuestro trabajo, tratamos de extraer una comprensión fundamental de las interacciones entre los materiales de la batería. Tratamos de comprender cómo interactúan esos materiales y por qué algunas interacciones son importantes para que la batería funcione bien”, dijo Ma. “Nos dimos cuenta de que no hay un requisito fundamental de tener PFA para que la batería funcione”.
Conseguir la industria a bordo
Para obtener la industria, la academia y los laboratorios nacionales para explorar esta nueva estrategia química, el desafío del equipo no era solo demostrar que su nueva familia de electrolitos será más seguro. También tuvieron que demostrar que sus electrolitos funcionan tan bien o mejor que los electrolitos basados en PFA.
Los diseños de baterías de metal de litio no fluorados mostraron más emparejamiento de iones y una mejor retención de capacidad que los diseños basados en compuestos fluorados, y algunas de su nueva familia de materiales también muestran más estabilidad oxidativa.
Mientras tanto, los diseños de iones de litio mostraron una vida útil del ciclo más larga y una mejor capacidad de tasa sobre las baterías disponibles comercialmente, además de que trabajaron en una gama más amplia de temperaturas. Mostraron ciclismo estable a temperaturas de 60 a 40 grados negativos centígrados.
El cambio a compuestos parcialmente fluorados también tiene importantes beneficios ambientales.
“Cuando tienes un solo grupo de flúor, son más fáciles de degradar”, dijo Amanchukwu.
También había inconvenientes. Los electrolitos parcialmente fluorados no crearon un recubrimiento protectores en el terminal negativo de la batería, por ejemplo. Pero incluir aditivos, que tampoco son PFA, el equipo pudo eludir estos problemas, creando ciclismo a baja temperatura y baterías de carga más rápida.
Hay argumentos ambientales y los científicos para evitar que “Forever Chemicals” ingrese al agua en primer lugar. Pero también hay un argumento económico para luchar contra un problema antes de que comience.
“Existe el riesgo de llevar nuevos materiales al mercado en general, independientemente de las regulaciones ambientales”, dijo Amanchukwu. “Pero existe un riesgo aún mayor de llevar un nuevo material al mercado con la posibilidad de que alguien pueda decir en 10 años o 15 años, ‘Esto es ilegal. Ya no puedes hacer esto'”.
Más información: Peiyuan Ma et al, Optimización de la estructura molecular del electrolito de éter fluorado para toda la temperatura de carga de iones de litio de carga rápida, letras de energía ACS (2024). Doi: 10.1021/acsenergylett.4c01999
Peiyuan Ma et al, sondeando la influencia del obstáculo estérico en electrolitos de éter no fluorados para baterías de metal de litio, Journal of the Electrochemical Society (2024). Doi: 10.1149/1945-7111/AD9CCA
Proporcionado por la Universidad de Chicago
Cita: Dos nuevas familias de solventes sin PFA para baterías de próxima generación (2025, 26 de marzo) recuperadas el 26 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-families-pfas liberos-geners-generation.html
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