Baterías litio-aire vs. litio-ion: análisis experto y comparativa de rendimiento

"Nuestro diseño de batería de litio-aire representa una revolución en la comunidad de baterías", afirmó Amin Salehi-Khojin, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial en la Universidad de Illinois en Chicago.

Salehi-Khojin y otros investigadores de UIC y el Laboratorio Nacional Argonne han diseñado una celda electroquímica que funciona en un entorno de aire natural y sigue funcionando tras 750 ciclos de carga/descarga, un récord.

Cómo funcionan las baterías litio-aire

Una batería de litio-aire combina oxígeno del aire con litio presente en el ánodo. La mezcla produce peróxido de litio durante la fase de descarga —y una descomposición de componentes de litio y oxígeno en la fase de carga.

Se cree que las baterías de litio-aire tienen capacidad para almacenar hasta cinco veces más energía que las mismas baterías de iones de litio que alimentan los teléfonos, portátiles y vehículos eléctricos actuales.

Desafíos históricos y solución innovadora

Las primeras ideas de "litio-aire" han fallado frecuentemente. Cuando los iones de litio se combinan con dióxido de carbono y vapor de agua en el aire, el resultado suelen ser subproductos que obstruyen el cátodo.

Para evitar la acumulación y permitir que la batería opere en aire natural, los investigadores de UIC y Argonne recubrieron el ánodo de litio con una capa fina de carbonato de litio. El recubrimiento permite selectivamente que iones de litio del ánodo entren en el electrolito —mientras impide que compuestos no deseados alcancen el ánodo.

En diseños experimentales de baterías litio-aire, el oxígeno entra en el electrolito a través de una estructura de rejilla esponjosa de carbono. Salehi-Khojin y sus colegas recubrieron la estructura de rejilla con un catalizador de disulfato de molibdeno. El electrolito híbrido único —hecho de líquido iónico y dimetilsulfóxido, un componente común de electrolitos de baterías— ayudó a facilitar reacciones litio-oxígeno, minimizar reacciones de litio con otros elementos del aire, y aumentar la eficiencia de la batería.

Preguntas de los lectores y respuestas del experto

Nuestros lectores tenían dudas. ¿Qué pasa si la batería se sobrecalienta? ¿Puede explotar? ¿Hay preocupaciones de seguridad? ¿Cómo se compara una batería litio-aire con una de litio-ion? Larry Curtiss, miembro distinguido de Argonne y coautor principal del estudio, respondió a nuestra audiencia. Véase a continuación.

¿Cuál es la tasa de carga?

Curtiss: La tasa de carga en este momento sería similar a una batería de Li-ion. Podría aumentarse con más investigación.

¿Cómo supera su nuevo diseño a las baterías Li-ion?

Al usar enlaces químicos entre Li y oxígeno, las baterías pueden almacenar mucha más energía, porque los enlaces son más densos que las interacciones de intercalación entre Li y las capas de óxido metálico usadas en baterías Li-ion.

¿Potencial de inflamabilidad o explosión (si se perfora, sobrecalienta, sobrecarga, etc.)?

Curtiss: Un componente de la batería Li-air que publicamos es el ánodo de litio. Se sabe que podría causar una explosión. Muchos científicos trabajan en el problema de la seguridad del ánodo de litio y probablemente requerirá mucho esfuerzo hacerlo seguro. Sin embargo, vale la pena mencionar que hemos protegido la superficie del ánodo de Li con un material aislante eléctricamente pero conductor iónicamente para prevenir cualquier explosión por cortocircuito entre ánodo y cátodo. Esto también previene el sobrecalentamiento de la batería.

¿Cuáles son los modos de fallo esperados?

Curtiss: Se investigará durante la ampliación de escala.

Otras preocupaciones de seguridad. La densidad energética de baterías Li-ion estándar equivale a la del TNT. Las suyas tienen 5x esa densidad. Aunque en teoría limitan reacciones no deseadas con recubrimientos finos, hay otros contaminantes potenciales en el aire (CO2, N2, etc.). ¿Podrían algunos volverse corrosivos y degradar las capas? ¿Podrían desarrollarse cortocircuitos internos invirtiendo una sola celda y causando incendio?

Curtiss: La batería se ha desarrollado solo a escala de laboratorio donde no ha exhibido ninguno de estos problemas de seguridad durante las pruebas. El siguiente paso sería escalar estas celdas pequeñas a paquetes de baterías, probarlas, y averiguar cuáles son los problemas de seguridad y abordarlos. Sin embargo, creemos que el sobrecalentamiento por inversión de celda no ocurriría en nuestro sistema debido a la robusta capa de protección de la superficie del ánodo de Li.

¿Qué opina? ¿Tiene más preguntas sobre baterías de litio-aire? Compártalas abajo.