Los científicos han desarrollado una batería de aire de litio

La reacción con CO₂ da al litio una capa protectora que soporta el oxígeno.

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batería de aire de litio

Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago y el Laboratorio Nacional de Argonne han diseñado una nueva batería de aire de litio que funciona en un entorno de aire natural sin dejar de funcionar después de cientos de ciclos de carga y descarga.

“Nuestro diseño de batería de litio-aire representa una revolución en la comunidad de la batería”, dijo Amin Salehi-Khojin, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial y coautor del artículo que se publicó en la revista Nature .

“Esta primera demostración de una verdadera batería de litio-aire es un paso importante hacia lo que llamamos baterías ‘más allá del ion de litio’, pero tenemos mucho trabajo por hacer para comercializarlo”.

Teóricamente, pueden contener nueve veces más energía que una batería de iones de litio.

Las baterías suministran electrones mediante reacciones químicas reversibles. Esto ha significado que todos los reactivos tienen que estar dentro de la batería, lo que aumenta su peso y volumen.

Las baterías de litio-aire podrían cambiar esa situación. En un electrodo, tienen metal de litio puro en lugar de una sustancia química que contiene litio.

En el otro, el litio reacciona con el oxígeno del aire. Cuando la batería está cargada, esta reacción se invierte y el oxígeno regresa a nuestra atmósfera.

Con un número mucho menor de químicos permanentemente dentro de la batería, es posible lograr una densidad de energía mucho mayor: se han realizado demostraciones de baterías de litio-aire con una densidad de energía cinco veces mayor que la de la tecnología actual de iones de litio.

¿El único inconveniente? Tienen una vida útil de aproximadamente un mes, en parte porque tanto el oxígeno como el litio metálico son bastante reactivos y en parte porque el aire ofrece muchas otras cosas además del oxígeno que pueden reaccionar.

Ahora, un equipo de investigadores ha descubierto una manera de protegerse contra muchas de estas reacciones y ha demostrado que la batería resultante puede sobrevivir cientos de ciclos de carga/descarga en una atmósfera parecida al aire.

Lo que probablemente significa que los investigadores están listos para averiguar qué es lo que sale mal cuando este material se encuentra con el aire real. La esperanza es que sea un problema fácil de resolver.

Los científicos han creado un tipo de batería de litio prometedora que puede funcionar con aire, en lugar de oxígeno puro, durante cientos de ciclos de carga.

Las baterías de aire-litio han generado muchas ilusiones en la comunidad de baterías, ya que teóricamente pueden contener nueve veces más energía que una batería de iones de litio común.

Sin embargo, las pocas baterías de aire de litio que pueden funcionar sin aire en lugar de oxígeno puro sólo se pueden cargar decenas de veces antes de que las sales de litio obstruyan sus electrodos.

Los vehículos eléctricos alimentados por una batería de litio-aire podrían viajar mucho más lejos con una sola carga, ya que estas baterías pueden contener más energía que una batería de litio-aire del mismo peso.

Sin embargo, las baterías de aire de litio todavía no han funcionado en el aire durante mucho tiempo. El problema es que el nitrógeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua en el aire reaccionan con los iones en los electrodos de la batería, formando depósitos que reducen rápidamente la capacidad de cada electrodo para mantener la carga.

Dado que el oxígeno es el único componente del aire necesario para las reacciones electroquímicas productivas en una batería de aire de litio, los investigadores lo alimentan, en lugar de aire, en una batería.

Aunque esto elimina las reacciones laterales, no es práctico para aplicaciones futuras: el suministro de oxígeno puro a la batería de un coche podría crear problemas de seguridad.

Para crear una batería de litio de larga duración que funciona con aire, Amin Salehi-Khojin, de la Universidad de Illinois en Chicago, EE.UU., y sus colegas diseñaron los electrodos y el electrolito de su batería para minimizar las reacciones laterales problemáticas.

Para hacer el ánodo de la batería, los investigadores depositaron de forma electroquímica carbonato de litio y carbono en chips de litio. Este recubrimiento permitía el paso de los iones de litio, a la vez que impedía que el dióxido de carbono, el oxígeno, el nitrógeno y el agua llegaran al litio reactivo en la superficie del electrodo.

Los investigadores minimizaron las reacciones secundarias en el cátodo al elegir un material y electrolito que mediaba reacciones sólo entre el litio y el oxígeno durante la carga y descarga.

Hicieron el cátodo usando nanoflakes del disulfuro de molibdeno, que cataliza la formación de Li2O2 durante la carga junto con su descomposición durante la descarga.

Los investigadores también llenaron la batería con un electrolito que contenía una sal de litio disuelta en una mezcla de dimetil sulfóxido y un líquido iónico.

La estructura de Li2O2 formada en el cátodo puede influir en su tendencia a recoger agua y dióxido de carbono, que reaccionan con los iones de litio para formar depósitos de hidróxido de litio y carbonato que obstruyen los sitios reactivos en el cátodo.

Cuando los investigadores examinaron un cátodo descargando en el electrolito mixto usando microscopía electrónica de transmisión, vieron una delgada película de Li2O2 en su superficie.

Los modelos de computadora sugirieron que el dióxido de carbono y el agua no se adhieren a esta delgada película, reduciendo así la oportunidad de formar sales que obstruyen los cátodos.

La belleza de este diseño es que podemos obtener todos los beneficios de una atmósfera de oxígeno puro mientras utilizamos aire”, dice Salehi-Khojin.

Los componentes de la batería aíslan el nitrógeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua para que no puedan participar en reacciones laterales no deseadas”.

Una batería de aire de litio ensamblada a partir de los electrodos diseñados y el electrolito funcionó durante 700 ciclos de carga en aire simulado.

Una batería creada con un ánodo sin recubrimiento y el mismo cátodo y electrolito falló después de 11 ciclos de carga.

Una forma común de determinar el ciclo de vida de las baterías de iones de litio consiste en medir la carga suministrada con cada carga y descarga de la batería.

Sin embargo, en el caso de las baterías de aire de litio, las cargas entregadas también pueden provenir de muchas otras reacciones distintas a la deseada entre el litio y el oxígeno.

Fuentes : revista nature 

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