¡EXCELENTE! Nueva batería de litio-oxígeno mejora en gran medida la eficiencia energética.

 

Las baterías de litio-aire se consideran tecnologías altamente prometedoras  para autos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles debido a su potencial para la entrega de una alta producción de energía en proporción a su peso.  Pero este tipo de baterías tienen algunos inconvenientes muy graves: Pierden mucha de la energía inyectada en forma de calor y se degradan con relativa rapidez. También requieren costosos componentes adicionales para bombear gas oxígeno dentro y fuera, en una configuración de célula abierta que es muy diferente de las baterías selladas convencionales.

En un nuevo concepto de cátodos de baterías, partículas de escala nanométrica hechas de compuestos de litio y oxígeno (representado en rojo y blanco) están integrados en una red similar a una esponja (amarillo) de óxido de cobalto, que los mantiene estable. Crédito: Cortesía de los investigadores

 Pero una nueva variación de la batería química,  podría ser utilizada en una batería convencional, completamente sellada, promete un rendimiento teórico similar a las baterías de litio-aire, que supera todos estos inconvenientes.

El Nuevo concepto de batería, denominado  batería de cátodo nanolithia, se ha descrito en la revista Energía Natural  en un artículo de Ju Li, profesor de la Alianza de Energía Nuclear Battelle de Ciencia e Ingeniería del MIT; postdoc Zhi Zhu; postdoc Zhi Zhu;  y otros cinco en el MIT, el Laboratorio Nacional de Argonne, y la Universidad de Pekín en China.

Una de las deficiencias de las baterías de litio-aire, explica Li, es la falta de correspondencia entre las tensiones implicadas en la carga y descarga de las baterías. El voltaje de salida de las pilas es más de 1,2 voltios menor que la tensión que se utiliza para cargarlos, lo que representa una pérdida significativa de potencia realizada en cada ciclo de carga. "Se pierde el 30 por ciento de la energía eléctrica en forma de calor en la carga. ... En realidad, puede quemarse si se carga demasiado rápido", dice. 

 Permanecer sólida

Las baterías de litio-aire convencionales se basan en el oxígeno del aire exterior para conducir una reacción química con el litio de la batería durante el ciclo de descarga, y este oxígeno se libera entonces de nuevo 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 la descarga, sino que tiene lugar sin dejar que el oxígeno vuelva a una forma gaseosa. En lugar de ello, el oxígeno se mantiene dentro de el sólido y se transforma directamente entre sus tres estados redox, mientras está unido en forma de tres compuestos diferentes sólidos químicos, Li2O, Li2O2, y LiO2, que se mezclan juntos en forma de un vidrio.  Esto reduce la pérdida de tensión por un factor de cinco, de 1,2 voltios a 0,24 voltios, por lo que sólo 8 por ciento de la energía eléctrica se vuelve a calentar.  "Esto significa una carga más rápida para los autos, como la eliminación del calor de la batería es menos de un problema de seguridad, así como los beneficios de la eficiencia energética", dice Li.


Este enfoque ayuda a superar otro problema con las baterías de litio-aire: A medida que la reacción química implicada en la carga y descarga convierte el oxígeno entre las formas gaseosos y sólidos, el material pasa a través de enormes cambios de volumen que pueden interrumpir los caminos de conducción eléctrica en la estructura, lo que limita gravemente su vida útil .

El secreto de la nueva formulación es la creación de partículas minúsculas, en la escala del nanómetro (mil millonésima parte de un metro), que contienen tanto el litio y el oxígeno en la forma de un vaso, confinado herméticamente dentro de una matriz de óxido de cobalto.  Los investigadores se refieren a estas partículas como nanolithia. De esta forma, las transiciones entre LiO2, Li2O2, y Li2O pueden tener lugar en su totalidad dentro del material sólido, dice.

Las partículas nanolithia serían normalmente muy inestable, por lo que los investigadores las han incrustado dentro de la matriz de óxido de cobalto, un material similar a una esponja con poros de tan sólo unos pocos nanómetros de diámetro. La matriz estabiliza las partículas y también actúa como un catalizador para su transformación.

Las baterías de litio-aire convencionales, explica Li, son "las baterías de litio-oxígeno muy seca, porque realmente no pueden manejar la humedad o dióxido de carbono", por lo que estos tienen que ser lavada cuidadosamente del aire de entrada que alimenta las baterías.  "Se necesita grandes sistemas auxiliares para eliminar el dióxido de carbono y agua, y es muy difícil de hacer esto." Sin embargo, la nueva batería, que nunca necesita para dibujar en el aire exterior, evita este problema.

Sin sobrecarga

La nueva batería también está inherentemente protegida contra la sobrecarga, dice el equipo, porque la reacción química en este caso es naturalmente auto-limitante, cuando cobrado de más, la reacción se desplaza a una forma diferente que impide aún más la actividad. "Con una batería típica, si se sobrecarga , puede causar daños estructurales irreversibles o incluso explotar", dice Li. Pero con la batería nanolithia, "hemos sobrecargado la batería durante 15 días, a un centenar de veces su capacidad, pero no había ningún daño en absoluto."

En las pruebas de ciclismo, una versión de laboratorio de la nueva batería fue sometida a 120 ciclos de carga-descarga, y mostró una pérdida de menos de 2 por ciento de su capacidad, lo que indica que este tipo de baterías podrían tener una larga vida útil. Y debido a que este tipo de baterías podrían ser instalados y operadas al igual que las baterías de iones de litio sólidas convencionales, sin que ninguno de los componentes auxiliares necesarios para una batería de litio-aire, que podrían adaptarse fácilmente a las instalaciones existentes o diseños del paquete de baterías convencionales para automóviles, productos electrónicos, o incluso el almacenamiento de energía a escala de red.

Debido a que estos cátodos de oxígeno "sólido" son mucho más ligeros que los cátodos de baterías de iones de litio convencionales, el nuevo diseño podría almacenar tanto como el doble de la cantidad de energía para un peso dado de cátodo, dice el equipo. Y con un mayor refinamiento del diseño, Li dice que, en última instancia, las nuevas baterías podrían duplicar esa capacidad de nuevo.

Todo esto se logra sin añadir componentes o materiales caros, según Li. El carbonato que utilizan como electrolito líquido en esta batería "es la forma más barata" de electrolito, dice. Y el component de óxido de cobalto  pesa menos de 50 por ciento del componente nanolithia. 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 mover de esta prueba a escala de laboratorio del concepto a la práctica un prototipo dentro de aproximadamente un año.