Las baterías de litio-aire se consideran tecnologías muy prometedoras para automóviles eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles debido a su potencial para entregar una alta producción de energía en proporción a su peso. Pero tales baterías tienen algunos inconvenientes bastante serios: desperdician gran parte de la energía inyectadacomo calor y se degradan con relativa rapidez. También requieren componentes adicionales costosos para bombear gas oxígeno dentro y fuera, en una configuración de celda abierta que es muy diferente de las baterías selladas convencionales.
Pero una nueva variación de la química de la batería, que podría usarse en una batería convencional completamente sellada, promete un rendimiento teórico similar al de las baterías de litio-aire, al tiempo que supera todos estos inconvenientes.
El nuevo concepto de batería, llamado batería de cátodo de nanolitia, se describe en la revista Energía natural en un documento de Ju Li, Profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance en el MIT; postdoc Zhi Zhu; y otros cinco en el MIT, el Laboratorio Nacional de Argonne y la Universidad de Pekín en China.
Li explica que una de las deficiencias de las baterías de litio-aire es la falta de coincidencia entre los voltajes involucrados en la carga y descarga de las baterías. El voltaje de salida de las baterías es más de 1.2 voltios menor que el voltaje utilizado para cargarlas, lo que representase produce una pérdida de energía significativa en cada ciclo de carga. "Se desperdicia el 30 por ciento de la energía eléctrica como calor en la carga ... En realidad, puede quemar si la carga demasiado rápido", dice.
Permanecer sólido
Las baterías convencionales de litio-aire extraen oxígeno del aire exterior para generar una reacción química con el litio de la batería durante el ciclo de descarga, y este oxígeno se libera nuevamente a la atmósfera durante la reacción inversa en el ciclo de carga.
En la nueva variante, el mismo tipo de reacciones electroquímicas tienen lugar entre el litio y el oxígeno durante la carga y descarga, pero ocurren sin dejar que el oxígeno vuelva a una forma gaseosa. En cambio, el oxígeno permanece dentro del sólido y se transforma directamenteentre sus tres estados redox, mientras está unido en forma de tres compuestos químicos sólidos diferentes, Li2O, Li2O2 y LiO2, que se mezclan en forma de vidrio, lo que reduce la pérdida de voltaje en un factor de cinco, de 1.2 voltiosa 0.24 voltios, por lo que solo el 8 por ciento de la energía eléctrica se convierte en calor. "Esto significa una carga más rápida para los automóviles, ya que la extracción de calor del paquete de baterías no es un problema de seguridad, así como los beneficios de eficiencia energética", dice Li.
Este enfoque ayuda a superar otro problema con las baterías de litio-aire: a medida que la reacción química involucrada en la carga y descarga convierte el oxígeno entre formas gaseosas y sólidas, el material pasa por grandes cambios de volumen que pueden interrumpir las rutas de conducción eléctrica en la estructura, limitando severamentees de por vida.
El secreto de la nueva formulación es crear partículas minúsculas, a escala nanométrica milmillonésimas de metro, que contienen tanto el litio como el oxígeno en forma de vidrio, confinados firmemente dentro de una matriz de óxido de cobalto. Los investigadoresse refieren a estas partículas como nanolitias. De esta forma, las transiciones entre LiO2, Li2O2 y Li2O pueden tener lugar completamente dentro del material sólido, dice.
Las partículas de nanolitia normalmente serían muy inestables, por lo que los investigadores las incrustaron dentro de la matriz de óxido de cobalto, un material similar a una esponja con poros de unos pocos nanómetros de diámetro. La matriz estabiliza las partículas y también actúa como un catalizador para sus transformaciones.
Li explica que las baterías convencionales de litio y aire son "realmente baterías de oxígeno secas de litio, porque realmente no pueden manejar la humedad o el dióxido de carbono", por lo que deben lavarse cuidadosamente del aire entrante que alimenta las baterías ".Necesita grandes sistemas auxiliares para eliminar el dióxido de carbono y el agua, y es muy difícil hacerlo ". Pero la nueva batería, que nunca necesita extraer aire del exterior, evita este problema".
sin sobrecarga
La nueva batería también está inherentemente protegida de la sobrecarga, dice el equipo, porque la reacción química en este caso es naturalmente autolimitada: cuando se sobrecarga, la reacción cambia a una forma diferente que impide una mayor actividad ". Con una batería típica, si lo sobrecarga, puede causar daños estructurales irreversibles o incluso explotar ", dice Li. Pero con la batería de nanolitia," hemos sobrecargado la batería durante 15 días, hasta cien veces su capacidad, pero no hubo daños en absoluto"
En las pruebas de ciclismo, una versión de laboratorio de la nueva batería se sometió a 120 ciclos de carga y descarga, y mostró una pérdida de capacidad inferior al 2 por ciento, lo que indica que dichas baterías podrían tener una larga vida útil. Y debido a que tales baterías podrían serinstalados y operados como las baterías de iones de litio sólidas convencionales, sin ninguno de los componentes auxiliares necesarios para una batería de litio-aire, podrían adaptarse fácilmente a las instalaciones existentes o diseños de paquetes de baterías convencionales para automóviles, productos electrónicos o incluso energía a escala de redalmacenamiento.
Debido a que estos cátodos de "oxígeno sólido" son mucho más livianos que los cátodos de baterías de iones de litio convencionales, el nuevo diseño podría almacenar hasta el doble de la cantidad de energía para un peso de cátodo dado, dice el equipo. Y con un mayor refinamiento del diseño, Dice Li, las nuevas baterías podrían en última instancia duplicar esa capacidad.
Todo esto se logra sin agregar componentes o materiales costosos, según Li. El carbonato que usan como electrolito líquido en esta batería "es el tipo más barato" de electrolito, dice. Y el componente de óxido de cobalto pesa menos de50 por ciento del componente de nanolitia. En general, el nuevo sistema de batería es "muy escalable, barato y mucho más seguro" que las baterías de litio-aire, dice Li.
El equipo espera pasar de esta prueba de concepto a escala de laboratorio a un prototipo práctico dentro de aproximadamente un año.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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