Las baterías de hierro-aire prometen una densidad de energía considerablemente mayor que las baterías de iones de litio actuales. Además, su componente principal, el hierro, es un material abundante y, por lo tanto, barato. Los científicos de Forschungszentrum Jülich se encuentran entre las fuerzas impulsoras dela investigación renovada sobre este concepto, que se descubrió en la década de 1970. Junto con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge ORNL, observaron con éxito con precisión nanométrica cómo se forman los depósitos en el electrodo de hierro durante el funcionamiento. Una comprensión más profunda de las reacciones de carga y descargase considera la clave para el mayor desarrollo de este tipo de batería recargable hasta la madurez del mercado. Los resultados se publicaron en la revista nano energía .
Por razones que incluyen dificultades técnicas insuperables, la investigación sobre baterías de metal-aire se abandonó en la década de 1980 durante mucho tiempo. Sin embargo, en los últimos años ha aumentado rápidamente el interés por la investigación. Las baterías de hierro-aire obtienen su energía de unreacción del hierro con oxígeno. En este proceso, el hierro se oxida casi exactamente como lo haría durante el proceso de oxidación. El oxígeno requerido para la reacción se puede extraer del aire circundante para que no sea necesario almacenarlo en la batería.El ahorro de material es la razón de las altas densidades de energía logradas por las baterías de metal-aire.
Se predice que las baterías de hierro-aire tienen densidades de energía teóricas de más de 1200 Wh / kg. En comparación, las baterías de iones de litio actuales tienen aproximadamente 600 Wh / kg, e incluso menos 350 Wh / kg sise tiene en cuenta el peso de la carcasa de la celda. Las baterías de litio-aire, que técnicamente son considerablemente más difíciles y complicadas de realizar, pueden tener densidades de energía de hasta 11.400 Wh / kg. Cuando se trata de densidad de energía volumétrica, hierro-airelas baterías funcionan aún mejor: a 9.700 Wh / l, es casi cinco veces más alto que el de las baterías de iones de litio actuales 2.000 Wh / l. Incluso las baterías de litio-aire tienen "solo" 6.000 Wh / l. Iron-airPor lo tanto, las baterías son particularmente interesantes para una multitud de aplicaciones móviles en las que los requisitos de espacio juegan un papel importante.
"Nos concentramos conscientemente en la investigación de tipos de baterías hechas de materiales que abundan en la corteza terrestre y se producen en grandes cantidades", explica el director del instituto, el profesor Rüdiger-A. Eichel. Por lo tanto, no es de esperar una escasez de suministro.El concepto también está asociado con una ventaja de costos, que se puede aplicar directamente a la batería, particularmente para aplicaciones a gran escala, como dispositivos estacionarios para la estabilización de la red eléctrica o la electromovilidad ".
Condiciones difíciles para el análisis
Los conocimientos obtenidos por los investigadores de Jülich crean una nueva base para mejorar las propiedades de la batería de manera específica. Utilizando microscopios electroquímicos de fuerza atómica in situ en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, pudieron observarcómo se forman los depósitos de partículas de hidróxido de hierro Fe OH 2 en el electrodo de hierro en condiciones similares a las que prevalecen durante la carga y descarga.
"El pH alto de 13,7 por sí solo representa una condición límite para el instrumento", explica Henning Weinrich del Instituto de Investigación sobre Energía y Clima de Jülich IEK-9. "Fuimos los primeros en Oak Ridge en realizar con éxito un experimento de este tipo bajocondiciones realistas ", dice Weinrich, quien permaneció en los Estados Unidos durante tres meses especialmente para las mediciones.
Los depósitos aumentan la capacidad
Los depósitos no disminuyen la potencia de la batería. Al contrario, dado que la capa nanoporosa aumenta la superficie activa del electrodo, contribuye a un pequeño aumento de capacidad después de cada ciclo de carga y descarga. Gracias a las investigaciones,los investigadores obtuvieron por primera vez una imagen completa del crecimiento de esta capa. "Anteriormente se suponía que la deposición se invierte durante la carga. Pero obviamente este no es el caso", explica el Dr. Hermann Tempel del Instituto de Energía y Clima de Jülich.Research IEK-9. Además, se verificó por primera vez un vínculo directo entre la formación de la capa en la superficie del electrodo y las reacciones electroquímicas.
Sin embargo, aún queda un largo camino por recorrer hasta la madurez del mercado. Aunque los electrodos aislados hechos de hierro pueden funcionar sin grandes pérdidas de energía durante varios miles de ciclos en experimentos de laboratorio, las baterías completas de hierro-aire, que utilizan un electrodo de aire comoel polo opuesto, solo han durado de 20 a 30 ciclos hasta ahora.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Forschungszentrum Juelich . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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