Los investigadores afirman haber desarrollado una batería de litio-aire de estado sólido que tiene una densidad de energía similar a la ga...
07 febrero 2023.- Investigadores del Instituto de Tecnología de Illinois, la Universidad de Illinois-Chicago y los Laboratorios Nacionales de Argonne lograron producir una demostración práctica de una batería de litio-aire que alcanza una densidad de energía de 685 Wh/kg a temperatura ambiente. Además, afirman que su nueva batería será económica de producir y más segura que una batería de iones de litio convencional porque es de estado sólido, lo que significa que no contiene líquidos que puedan derramarse o incendiarse. Aquí está el resumen de un informe publicado el 2 de febrero en la revista Science .
En teoría, una batería de litio-aire basada en la formación de óxido de litio (Li2O) puede proporcionar una densidad de energía comparable a la de la gasolina. La formación de óxido de litio implica una reacción de cuatro electrones que es más difícil de lograr que los procesos de reacción de uno y dos electrones que dan como resultado superóxido de litio (LiO2) y peróxido de litio (Li2O2), respectivamente.
Mediante el uso de un electrolito de polímero compuesto basado en nanopartículas Li10GeP2S12 incrustadas en una matriz de polímero de óxido de polietileno modificada, descubrimos que Li2O es el producto principal en una batería de aire de litio de estado sólido a temperatura ambiente. La batería es recargable por 1000 ciclos con un espacio de polarización bajo y puede operar a velocidades altas. La reacción de cuatro electrones está habilitada por un producto de descarga conductor de electrones de iones mixtos y su interfaz con el aire.
Uno de los 12 investigadores involucrados en la investigación de la batería de litio-aire es Mohammad Asadi, profesor asistente de ingeniería química en el Instituto de Tecnología de Illinois (IIT). En un comunicado de prensa , IIT dice que el diseño de la batería que Asadi y sus colegas crearon tiene el potencial de almacenar un kilovatio-hora de electricidad por kilogramo, cuatro veces más que la tecnología actual de baterías de iones de litio. Eso representaría una transformación para el transporte eléctrico, especialmente los vehículos pesados como aviones, trenes y submarinos.
La batería incorpora un electrolito sólido, que brinda beneficios de seguridad y energía en comparación con las baterías de electrolito líquido. Dispone de una mezcla de polímero y cerámica, que son los dos electrolitos sólidos más comunes, pero ambos tienen inconvenientes. Al combinarlos, se descubrió que podía aprovechar la alta conductividad iónica de la cerámica, así como la alta estabilidad y la alta conexión interfacial del polímero.
El resultado permite que la reacción reversible crítica que permite que la batería funcione (formación y descomposición de dióxido de litio) ocurra a altas velocidades a temperatura ambiente, la primera vez que esto ha sido posible en una batería de litio-aire.
“La tecnología es un gran avance y ha abierto una gran ventana de posibilidades para llevar estas tecnologías al mercado”.
Un electrolito de estado sólido barato pero efectivo
Una de las principales contribuciones de los autores es que desarrollaron un compuesto ligero de polímero y cerámica que conduce los iones de Li+ a temperatura ambiente unas 15 veces mejor que otros materiales sólidos que se han probado hasta ahora, dice The Daily Kos. Otros han ideado muy buenos conductores Li+ para baterías de litio-aire, pero estaban hechos de sales fundidas que son líquidas y pesadas. También necesitan altas temperaturas para funcionar con eficacia, por lo que no son seguros ni económicos.
Pero hay otro logro clave aquí, señala The Daily Kos . En baterías de litio-aire anteriores, el Li2O2 transfiere dos electrones del litio por cada oxígeno, pero en este nuevo prototipo, la reacción química se ve así:
4 Li+ + 4 e- + O2 → 2 Li2O (4 e- por O2)
Un problema clave con el uso de Li2O a temperatura ambiente es que el estado de transición, Li2O2, preferiría devolver sus electrones al oxígeno. ¿Cómo evitan los investigadores que eso suceda cuando, por definición, hay mucho oxígeno disponible? Admiten libremente que aún no entienden completamente el proceso, pero probablemente sea algo así, según The Daily Kos .
En primer lugar, el electrolito es un conductor de Li+ tan bueno que permite que el exceso de Li+ se mueva rápidamente, mientras que antes el Li+ simplemente no podía viajar a través del electrolito lo suficientemente rápido como para mantenerse al día.
En segundo lugar, los productos que se forman primero, LiO2 y Li2O2, parecen formar una capa sobre la superficie del material del catalizador que aún conduce iones pero no deja pasar el oxígeno, por lo que el Li2O2 puede convertirse aún más en Li2O sin que el oxígeno lo obstaculice. Se forman LiO2 y Li2O2 durante unos 15 minutos de descarga de la batería. Después de eso, todo es Li2O hasta que la batería se agota.
Una de las mayores ventajas del catalizador que los investigadores diseñaron para el cátodo es que está hecho de fosfuro de molibdeno, que es abundante y económico. Así que no solo crearon un excelente conductor de Li+ de estado sólido, sino que también crearon un catalizador económico que es bueno para promover las reacciones hacia adelante y hacia atrás con el oxígeno para que el sistema sea recargable. Han probado su nueva batería de litio-aire a través de 1000 ciclos y notaron muy poca caída en el rendimiento.
El resultado de todo esto es que podemos tener la base para baterías de automóviles súper eficientes y para el almacenamiento de energía renovable, todo gracias a un material que a los iones de litio les gusta atravesar a temperatura ambiente.
Al igual que con todas las noticias sobre avances en baterías en el laboratorio, debemos ser escépticos hasta que se hayan realizado más pruebas y haya más datos disponibles. Por lo general, el camino desde el laboratorio hasta la producción es de años. Dicho esto, solo pensar en una batería que tenga una densidad de energía cercana a la de la gasolina es motivo de celebración. Si es cierto, eso movería el movimiento de “electrificar todo” un paso gigante hacia adelante. Es suficiente para hacer que incluso los más cínicos entre nosotros se entusiasmen un poco con las baterías de litio-aire.
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