Funcionamiento, comparación y avance de la batería de litio-aire

¿Cómo funcionan las baterías de aire de litio?

Una celda de Li-Air genera un voltaje debido a la disponibilidad de moléculas de oxígeno (O2) en el electrodo positivo. El O2 reacciona con los iones de litio cargados positivamente para formar peróxido de litio (Li2O2) y genera electricidad. Los electrones se retiran del electrodo y esta batería está vacía (descargada), si no es posible formar más Li2O2

Sin embargo, Li2O2 es un conductor de electrones muy malo. Si los depósitos de Li2O2 crecen en la superficie del electrodo que proporciona los electrones para la reacción, se amortigua y finalmente elimina la reacción y, por lo tanto, la carga de la batería. Este problema puede superarse si el producto de reacción (peróxido de litio en este caso) se almacena cerca del electrodo pero no lo cubre.

Los investigadores de Cambridge han encontrado una receta que hace precisamente eso: use una mezcla electrolítica estándar y agregue yoduro de litio (LI) como aditivo. El experimento del equipo también incluye un electrodo esponjoso y esponjoso que consta de muchas capas delgadas de grafeno llenas de poros grandes.

El último ingrediente importante, pero no menos importante, es una cantidad muy pequeña de agua (H2O). Con la ayuda de esta combinación de productos químicos, la reacción de descarga de la batería no producirá Li2O2, lo que podría resultar en un aumento de la superficie conductora del electrodo (ver figura a continuación, lado izquierdo). En cambio, contiene hidrógeno que se ha eliminado del agua (H2O) para formar cristales de hidróxido de litio (LiOH).

Estos cristales llenan las dimensiones porosas del electrodo de carbón esponjoso, pero especialmente no cubren ni bloquean la superficie vital del carbón que genera la tensión de alimentación (lado derecho). Por lo tanto, la presencia de yoduro de litio como "facilitador" (aunque su función exacta aún no está clara) y el agua como co-reactante en el proceso aumenta la capacidad de la batería de Li-aire.

¿Cuál es la diferencia en el aire de litio y la batería de iones de litio?

La tecnología Li-Air se ha convertido en un área muy solicitada debido a las limitaciones técnicas de la batería de iones de litio madura. Para lograr aplicaciones de alta densidad de energía, como vehículos eléctricos que pueden superar las 300 millas con una sola carga, se han realizado esfuerzos en tecnologías avanzadas, como Li-air. Abraham, quien publicó el primer artículo sobre baterías de Li-aire no acuosas en 1996 en un artículo de JES titulado "Una batería recargable de litio / oxígeno basada en electrolitos", ha visto esta extraordinaria transformación en los últimos 10 años. Una batería de litio-aire combina el oxígeno del aire de litio presente en el ánodo. La mezcla produce peróxido de litio en la fase de descarga y una descomposición de los componentes de litio y oxígeno en la fase de carga. Se cree que las baterías de litio-aire contienen hasta cinco veces más energía que las mismas baterías de iones de litio que alimentan los teléfonos, computadoras portátiles y vehículos eléctricos actuales. Sin embargo, las primeras ideas de "litio-aire" a menudo fracasaron. Cuando los iones de litio se combinan con dióxido de carbono y vapor de agua en el aire, el resultado ha sido a menudo subproductos que abarcan el cátodo.

Para evitar la acumulación y permitir que la batería funcione en un entorno natural, los investigadores de UIC y Argonne recubrieron el ánodo de litio con una fina capa de carbonato de litio. El recubrimiento permite que los iones de litio en el ánodo penetren en el electrolito, mientras que evita que los compuestos no deseados lleguen al ánodo.

En proyectos experimentales de baterías de aire y litio, el oxígeno ingresa al electrolito a través de una estructura de nieve esponjosa a base de carbono.

Salehi-Khojin y sus colegas recubrieron la estructura reticular con un catalizador de disulfuro de molibdeno. El electrolito híbrido único, que consta de líquido iónico y dimetilsulfóxido, un componente común de los electrolitos de la batería, facilitó las reacciones de litio-oxígeno, redujo las reacciones de litio con otros elementos del aire y aumentó la eficiencia de la batería.

¿Cuál es la tasa de carga?

La velocidad de carga en este momento sería similar a la de una batería de iones de litio. Podría aumentarse con más investigación.

¿Cómo funciona su nuevo diseño con las baterías de iones de litio?

Mediante el uso de enlaces químicos entre el Li y el oxígeno, las baterías pueden almacenar mucha más energía, porque los enlaces son más densos que las interacciones de intercalación entre el Li y las capas de óxido metálico utilizadas en las baterías de iones de litio.

¿Cuál es el potencial de inflamabilidad o explosión (si se perfora, se sobrecalienta, se sobrecarga, etc.)?

Una parte de nuestra batería Li-Air publicada es el ánodo de litio. Se sabe que puede producirse una explosión. Muchos científicos están trabajando en la cuestión de la seguridad del ánodo de litio y es probable que hagan un gran esfuerzo para hacerlo más seguro. Cabe destacar, sin embargo, que protegemos la superficie del ánodo de Li con un aislante eléctrico pero con material iónicamente conductor para evitar una explosión por el cortocircuito de la batería entre el ánodo y el cátodo. Esto también evita el sobrecalentamiento de la batería.

¿Cuáles se espera que sean los modos de falla?

Esto se investigará durante la ampliación.

Avance en la tecnología de baterías de aire y litio

Según KM Abraham, coautor del artículo, permite la catálisis de la reacción de reducción de oxígeno por manganeso, mientras que el cobalto cataliza la reacción de carga de la batería.

"Esto brinda la oportunidad para que la investigación futura desarrolle materiales similares para optimizar la catálisis de la batería Li-Air con un material que combine las funciones de estos óxidos metálicos mixtos", dice Abraham.

Debido a que los óxidos de metales de transición también emergen como cátodos para baterías de iones de litio, Abraham cree que este nuevo desarrollo podría abrir oportunidades para aplicaciones futuras donde las dos baterías recargables podrían usarse de manera sostenible.

"Debido a que estos materiales catalíticos también se están desarrollando para cátodos de baterías de iones de litio, esta podría ser una forma de usar electrodos de baterías de iones de litio para otro propósito: usarlos como catalizadores en baterías de iones de litio", dice Abraham. "El Li-Air se encuentra actualmente bajo una intensa investigación, pero todavía hay obstáculos que debemos superar antes de que puedan ponerse en práctica", dice Abraham. "Creo que habrá un uso limitado para aplicaciones especiales en el futuro cercano, pero pasará algún tiempo antes de que la tecnología se utilice por completo". Sin embargo, los desarrollos fundamentales contribuyen al avance de la tecnología y la llevan al objetivo final de una aplicación generalizada. "El ion de litio está maduro y ahora necesitamos una batería con una densidad de energía mucho mayor", dice Abraham. "Este es otro paso hacia el potencial de Li-Air".