Cuénteme más sobre la batería de litio y oxígeno

Introducción

En esta vida moderna, numerosos dispositivos electrónicos funcionan con una batería de iones de litio. Estas baterías han facilitado el uso de nuestros dispositivos, como teléfonos móviles y portátiles, dondequiera que estemos. Las baterías de Li-Ion están asociadas con una alta densidad de energía. Sin embargo, su densidad energética aún no es suficiente. Existe una demanda creciente de fuentes de energía de mayor densidad energética y eso es lo que ha llevado a la búsqueda de alternativas. La creciente necesidad de buscar alternativas a la química de intercalación de las baterías de iones de litio ha generado un mayor interés en las baterías de litio y oxígeno. Estas baterías se cargan y descargan convirtiendo el litio y el oxígeno en un óxido metálico y viceversa.

¿Qué es la batería de litio y oxígeno?

La batería de litio y oxígeno es un nuevo tipo de tecnología de batería que podría acumular más energía y durar más que sus predecesoras, como la batería de iones de litio. Estas baterías están fabricadas con materiales más sostenibles que las típicas baterías de iones de litio. De hecho, se consideran candidatos prometedores para la próxima generación de baterías recargables.

Las baterías de litio y oxígeno están compuestas por dos electrodos, un ánodo y un cátodo, que están separados por un electrolito. Cuando la batería se descarga, las moléculas de oxígeno del cátodo se combinan con los iones de litio del electrolito para formar un compuesto sólido conocido como peróxido de litio. La reacción química entre el oxígeno y los iones de litio es lo que libera energía. Cuando la batería se está cargando, el peróxido de litio se descompone y el litio y el oxígeno vuelven a sus posiciones iniciales.

Sin embargo, la forja de peróxido de litio conduce a la formación de varios subproductos químicos no deseados que desperdician energía. Esto, a su vez, hace que la batería de litio y oxígeno solo entregue alrededor del 80 por ciento de su carga eléctrica almacenada al dispositivo que está alimentando. Estos productos químicos no deseados también pueden dañar el electrolito y el cátodo de la batería, por lo que las baterías suelen fallar después de solo unas pocas docenas de ciclos de recarga.

Sin embargo, aún se están realizando más investigaciones sobre cómo construir una mejor batería de litio y oxígeno. Para construir una mejor batería, algunos fabricantes han reemplazado el típico electrolito orgánico por una sal fundida inorgánica y el cátodo estándar a base de carbono por un cátodo a base de metal.

En el caso de una batería de litio-oxígeno típica, cuando se está descargando o alimentando otro dispositivo, ocurre una reacción química entre el oxígeno y los iones de litio que conduce a la formación de cristales de peróxido de litio en la superficie del cátodo. Por otro lado, la descarga de la nueva batería de litio-oxígeno conduce a la formación de óxido de litio en la superficie del cátodo, lo que permite que la batería entregue más energía y dure más.

En la nueva batería de litio-oxígeno, el oxígeno se combina con el litio para formar óxido de litio. Esta reacción química permite que la batería almacene hasta un 50 por ciento más de energía que la reacción del peróxido de litio. Por lo tanto, el nuevo diseño puede conducir a la fabricación de baterías más densas en energía que el diseño anterior. Además, la forja de óxido de litio no produce subproductos químicos no deseados como el peróxido de litio. Como resultado, la nueva batería de litio y oxígeno puede liberar casi toda su carga almacenada a otros dispositivos y puede manejar más ciclos de recarga que otras baterías de litio y oxígeno.

Las nuevas baterías dan más esperanzas a los coches eléctricos. Sin embargo, todavía queda trabajo por hacer antes de que puedan usarse en vehículos eléctricos. La razón principal es que las nuevas baterías de litio y oxígeno deben calentarse al menos a 150 grados Celsius para que funcionen. Por lo tanto, primero tendría que encontrar una manera de calentar la batería cuando encienda el automóvil.

El progreso en el campo de las baterías suele ser increíblemente lento y requiere muchos años para que los avances prometedores en el laboratorio se trasladen al campo comercial. Las nuevas baterías de oxígeno y litio aún necesitan alcanzar muchos más ciclos de vida para competir con las baterías de iones de litio y otros tipos de baterías que se encuentran actualmente en el mercado.

Ventajas de la batería de litio y oxígeno

Todos quieren tener mejores baterías para alimentar nuestros diversos dispositivos electrónicos, como teléfonos móviles, computadoras portátiles e incluso automóviles eléctricos. La batería de iones de litio actual, que se utiliza en casi dispositivos electrónicos, no tiene suficiente densidad de energía. Tienes que cargar la batería todos los días.

Las baterías de litio y oxígeno se consideran tecnologías de batería altamente prometedoras para automóviles eléctricos y dispositivos electrónicos debido a su potencial teórico para proporcionar una alta producción de energía en proporción a su peso. De hecho, estas baterías han sido promocionadas como la mejor masa. Se han asociado con una alta densidad de energía que es diez veces mayor que la de una batería de iones de litio. Esta alta densidad de energía sería en realidad comparable a la de la gasolina y permitiría a un automóvil eléctrico con una batería que cuesta una quinta parte del costo y una quinta parte del peso de los que están actualmente en el mercado para conducir unas 500 millas con una sola carga.

Otra ventaja de la nueva batería de litio y oxígeno es que está intrínsecamente protegida contra la sobrecarga. Esto se debe a que la reacción química en esta batería es en realidad autolimitante. Cuando la batería está sobrecargada, la reacción química cambia a una forma diferente que evita una mayor actividad. La mayoría de las veces, cuando una batería típica se sobrecarga, puede causar daños estructurales irreversibles o incluso explotar. Pero la batería de litio y oxígeno no se daña debido a la sobrecarga.

Otra gran ventaja de estas baterías es que tienen una larga vida útil. La versión de laboratorio de la nueva batería de litio y oxígeno se sometió a 120 ciclos de carga y descarga, y mostró una pérdida de capacidad de menos del 2 por ciento.

Las nuevas baterías de litio y oxígeno se pueden instalar y operar como las baterías sólidas de iones de litio convencionales y no requerirían ninguno de los componentes auxiliares. Eso significa que las baterías podrían adaptarse fácilmente a instalaciones existentes o diseños de paquetes de baterías convencionales para automóviles eléctricos, dispositivos electrónicos o incluso almacenamiento de energía a escala de red.

Las nuevas baterías de litio y oxígeno cuentan con cátodos que son mucho más livianos que los cátodos de baterías de iones de litio convencionales. Esto significa que esta batería puede almacenar hasta el doble de la cantidad de energía para un determinado peso de cátodo. Un mayor refinamiento del diseño puede hacer que las baterías vuelvan a duplicar esa capacidad.

¿Cómo funciona la batería de litio y oxígeno?

Las baterías de litio y oxígeno convencionales extraen oxígeno del aire exterior para facilitar una reacción química con los iones de litio durante el ciclo de descarga. Luego, este oxígeno se libera nuevamente a la atmósfera durante la reacción inversa en el ciclo de carga. Durante la descarga o cuando la batería está alimentando otro dispositivo, el oxígeno extraído de la atmósfera se combina con los iones de litio para formar cristales de peróxido de litio en el cátodo, liberando así energía. Esta reacción química a menudo conduce a otros subproductos que pueden corroer el cátodo y reducir así la vida útil de la batería. Cuando la batería se está cargando, el peróxido de litio se descompone donde el litio y el oxígeno vuelven a sus formas iniciales.

En la nueva batería de litio y oxígeno, tiene lugar el mismo tipo de reacciones electroquímicas entre el litio y el oxígeno durante la carga y descarga. Sin embargo, durante la descarga, los iones de litio se combinan con el oxígeno para formar óxido de litio. La reacción química conduce a la liberación de energía sin tener subproductos no deseados. En la nueva batería, el oxígeno no se revierte a una forma gaseosa. En cambio, permanece dentro del sólido. Esto ayuda a reducir la pérdida de voltaje en un factor de cinco de 1,2 voltios a 0,24 voltios, por lo que solo un pequeño porcentaje de la energía eléctrica se convierte en calor. Como resultado, la batería puede entregar más energía e incluso durar más.

En la batería de litio y oxígeno convencional, la reacción química que tiene lugar durante la carga y descarga convierte el oxígeno en forma gaseosa y sólida. Esto hace que el material pase por grandes cambios de volumen que dañan las rutas de conducción eléctrica en la batería, lo que reduce significativamente su vida útil.

Conclusión

Existe una demanda creciente de baterías de mayor densidad energética en todo el mundo. También ha experimentado la necesidad de una batería de mayor densidad como individuo. Las baterías de iones de litio se utilizan en todas partes para alimentar dispositivos eléctricos e incluso automóviles eléctricos, pero su densidad de energía aún no es suficiente. Las nuevas baterías de litio y oxígeno han sido promocionadas como la batería definitiva y la mejor alternativa a las baterías de iones de litio debido a su mayor densidad de energía. Este enfoque todavía está en el laboratorio y puede llevar más tiempo antes de pasar al campo de la comercialización. Aún así, presentan un buen futuro para los vehículos eléctricos y los dispositivos electrónicos.