Las baterías más comunes son baterías que usan iones metálicos como portadores de carga, este tipo de baterías, especialmente las de iones de litio, dominan el mercado de los artículos electrónicos portátiles y de los vehículos eléctricos gracias a su alta densidad energética; el problema es que el litio y otros iones metálicos son recursos limitados que ponen en riesgo su disponibilidad en el futuro, sin mencionar que son tóxicos para el medio ambiente. Es por ello que se ha dedicado gran esfuerzo en desarrollar baterías con electrolitos acuosos, ya que son más convenientes y económicos, además de más seguros, y entre estas, las baterías de cationes de amonio se perfilan como sustitutos más ecológicos de las baterías de iones metálicos.
Las baterías de iones no metálicos y con electrolito acuoso se perfilan como las baterías más ecológicas. Fuente: 
Como ya hemos mencionado, las baterías de iones de litio son las más empleadas para alimentar nuestro estilo de vida digital y móvil, pero las fuentes de litio son limitadas; ante ese escenario, se han propuesto otros iones metálicos más disponibles para sustituir al litio, como iones Zn+2 o Mg+2. El problema de estos iones es que presentan una elevada interacción electrostática y corrosión en medios acuosos, por ejemplo en las baterías de zinc, a pesar de haber demostrado altas capacidades, aún enfrenta desafíos como la autodegradación y el cambio de fase durante la intercalación de los iones.
Baterías acuosas de iones de amonio
Por factores como los mencionados, una parte de la investigación en baterías se ha centrado en el desarrollo de portadores de carga no metálicos, como los iones H+, hidronio (H3O+) o el ión amonio (NH4+), pero entre estos, el ión amonio resulta más conveniente debido a que los protones y el ión hidronio generan un medio más ácido que puede corroer los electrodos.
Las baterías de iones de amonio corresponden a un tipo de batería recargable de tipo mecedora que funciona de forma similar que las baterías de iones metálicos, como las baterías de iones de litio, pero estas se basan en el uso de iones amonio como portadores de carga y electrolitos acuosos no inflamables.
Esquema general de una batería de iones de amonio. Fuente: imagen elaborada en PowerPoint, la estructura del ion amonio fue tomada de Wikipedia.org.
Este tipo de batería se ha vuelto atractiva en la última década por diversos factores, por lado abundan los recursos para la síntesis de los portadores de carga, y el tamaño iónico del ión amonio es relativamente pequeño (3,31 Å), lo que facilita su rápida difusión en el electrolito y proporciona una mejor conductividad, además, las soluciones de NH4+ son menos corrosivas en comparación con electrolitos ácidos.
Materiales de cátodo
El material del cátodo en este tipo de batería es muy importante ya que determina la estabilidad de la misma. En los primeros informes de baterías de iones amonio se reportaron análogos del azul de Prusia (PBAs), y a partir de ahí se fueron buscando cátodos alternativos para mejorar la capacidad y estabilidad de la batería, hasta ahora, los óxidos de vanadio y compuestos de manganeso han mostrado los mejores rendimientos.
Materiales de ánodo
Se han propuesto varios compuestos metálicos y materiales orgánicos como materiales anfitriones anódicos de NH4+, entre los más representativos se tienen: PTCDI (diimida 3,4,9,10-perilentetracarboxílica) y materiales a base de Ti que se basan en el par redox Ti4+/Ti3+.
Electrolitos
En el campo de las baterías de iones de amonio se han realizado grandes esfuerzos para el desarrollo de electrolitos acuosos adecuados, empleándose principalmente líquidos convencionales y los hidrogeles. El (NH4)2SO4 se ha utilizado como electrolito en combinación con materiales de electrodo Ti3C2, PBA y PTCDI; otras sales como el NH4Cl y NH4NO3 también se han estudiado como electrolitos convencionales.
El problema con los iones amonio es que son fáciles de reducir a hidrogeno y amoniaco, dificultando la intercalación de los iones en los electrodos, lo que disminuye la eficiencia de las baterías.
Baterías de iones de amonio más eficientes y ecológicas
Un equipo de investigadores de KHUST reportó recientemente haber desarrollado un batería de alta eficiencia que combina cationes amonio y aniones hexafluorofosfato (PF6-), y que utiliza un cátodo de grafito y un ánodo de PTCDI. Es un sistema de iones duales, donde cada ion se inserta en su electrodo durante el ciclo de carga, para luego ser liberados al electrolito durante el ciclo de descarga.
Batería acuosa de iones duales. Fuente: imagen elaborada en PowerPoint.
Este nuevo sistema evade la tendencia del ion amonio de reducirse, además de que los electrodos dotan a la batería de mayor longevidad, más de 1000 ciclos, y elevada densidad energética, funcionando con un voltaje record de 2,75 V, según afirmaron los investigadores.
Ciertamente la investigación aún debe avanzar para lograr los requerimientos de las aplicaciones a gran escala, sin embargo sustituir metales como el litio por iones no metálicos, como los iones amonio, es un paso importante para reducir el costo de las baterías en el futuro y hacerlas más ecológicas.
Bueno amigos, esperemos que la investigación en baterías acuosas con iones amonio siga avanzando y nos brinde en el futuro una alternativa más sostenible que las baterías de iones de litio. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Jin Han, Alberto Varzi, Stefano Passerini (2022). The Emergence of Aqueous Ammonium‐Ion Batteries. Angew Chem Int Ed Engl. 61(14).
Jilei Liu, Chaohe Xu, Zhen Chen, Shibing Ni, Ze Xiang Shen. (2018). Progress in aqueous rechargeable batteries. Green Energy & Environment, Volume 3, Issue 1, Pages 20-41.
Zhiming Zhao, Dr. Yongjiu Lei, Dr. Lin Shi, Zhengnan Tian, Dr. Mohamed, Hedhili, Yusuf Khan, Prof. Dr. Husam N. Alshareef (2022). A 2.75 V ammonium-based dual-ion battery; Angewandte Chemie International Edition; Volume 61, Issue 51