Litio-aire frente a iones de litio:opiniones de expertos y comparación de rendimiento

Billy Hurley, director editorial digital

"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 la UIC y el Laboratorio Nacional Argonne han diseñado una celda electroquímica que funciona en un ambiente de aire natural y aún funciona después de un récord de 750 ciclos de carga/descarga.

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 los componentes de litio y oxígeno en la fase de carga.

La batería experimental de litio-aire. (Foto:Amin Salehi-Khojin.)

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.

Sin embargo, las primeras ideas de “litio-aire” han fracasado con frecuencia.

Cuando los iones de litio se combinan con el dióxido de carbono y el vapor de agua en el aire, el resultado a menudo son subproductos que pegan el cátodo.

Para evitar la acumulación y permitir que la batería funcione en un ambiente de aire natural, los investigadores de la UIC y Argonne cubrieron el ánodo de litio con una fina capa de carbonato de litio. El recubrimiento permite selectivamente que los iones de litio del ánodo entren en el electrolito, evitando al mismo tiempo que compuestos no deseados lleguen al ánodo.

En diseños experimentales de baterías de litio-aire, el oxígeno ingresa al electrolito a través de una estructura reticular esponjosa a base de carbono.

Salehi-Khojin y sus colegas recubrieron la estructura reticular con un catalizador de disulfato de molibdeno. El exclusivo electrolito híbrido, hecho de líquido iónico y dimetilsulfóxido, un componente común de los electrolitos de las baterías, ayudó a facilitar las reacciones de litio y oxígeno, minimizar las reacciones del litio con otros elementos en el aire y aumentar la eficiencia de la batería.

Nuestros lectores, sin embargo, tenían preguntas. ¿Qué pasa si la batería se sobrecalienta? ¿Puede explotar la batería? ¿Existen preocupaciones de seguridad? ¿Cómo se compara una batería de litio-aire con una batería de iones de litio? Larry Curtiss, miembro distinguido de Argonne y coautor principal del estudio, se tomó el tiempo para brindar respuestas a nuestra audiencia. Vea las respuestas a continuación.

¿Cuál es la tarifa de cobro?

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

¿Cómo supera su nuevo diseño a las baterías de iones de litio?

Al utilizar 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 utilizadas en las baterías de iones de litio.

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

Curtiss: Un componente de la batería Li-aire que publicamos es el ánodo de litio. Se sabe que podría provocar una explosión. Muchos científicos están trabajando en el problema de la seguridad del ánodo de litio y probablemente harán grandes esfuerzos para lograr que sea seguro. Sin embargo, cabe mencionar que hemos protegido la superficie del ánodo de Li con un material eléctricamente aislante pero iónicamente conductor para evitar cualquier explosión por cortocircuito de la batería entre ánodo y cátodo. Esto también evita el sobrecalentamiento de la batería.

¿Cuáles se espera que sean los modos de falla?

Curtiss: Esto se investigará durante la ampliación.

¿Alguna otra preocupación de seguridad? La densidad de energía de las baterías de iones de litio estándar es igual a la del TNT. Sus baterías tienen 5 veces esa densidad de energía. Aunque en teoría limitan las reacciones no deseadas de estos finos recubrimientos, existen otros contaminantes potenciales en el aire (CO2 N2, etc.) ¿Algunos de estos podrían volverse corrosivos y romper las capas? ¿Podrían desarrollarse cortocircuitos internos que reviertan una sola celda y provoquen un incendio?

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

¿Qué opinas? ¿Tiene más preguntas sobre las baterías de litio-aire? Compártelos a continuación.

Un dibujo esquemático de la batería de litio-aire. (Crédito:UIC y Laboratorios Nacionales Argonne).