Las celdas de combustible de litio y oxígeno cuentan con niveles de densidad de energía comparables a los de los combustibles fósiles y, por lo tanto, se consideran un candidato prometedor para las futuras necesidades energéticas relacionadas con el transporte.
Varios obstáculos se interponen en el camino de la realización de esa visión, sin embargo. Incluyen poca capacidad de recarga, eficiencia reducida debido a sobrepotenciales elevados (más energía de carga que energía de descarga) y baja energía específica.
Dos inestabilidades contribuyen a estos obstáculos. Gran parte del trabajo anterior realizado en el laboratorio de Lynden Archer, el Profesor Distinguido de Ingeniería de la Familia James A. Friend en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular Robert F. Smith (CBE), se ha centrado en uno:la nucleación y el crecimiento de las dendritas de un electrodo al otro, que provoca un cortocircuito, una fuente de falla celular prematura que invariablemente termina en incendios.
Es la otra inestabilidad:la pérdida de energía de la batería, también conocido como desvanecimiento de la capacidad, que es el enfoque del trabajo más reciente del laboratorio. Snehashis Choudhury, estudiante de doctorado en el Grupo de Investigación Archer, ha llegado a lo que Archer denomina una respuesta "ingeniosa" al problema del desvanecimiento de la capacidad.
Su trabajo se detalla en "Interfases de diseñador para la celda electroquímica de litio-oxígeno, "publicado el 21 de abril en Avances de la ciencia . Choudhury es co-primer autor junto con Charles Wan '17, una especialización en ingeniería química.
El desvanecimiento de la capacidad ocurre cuando el electrolito, que transporta iones cargados del electrodo negativo (ánodo) al positivo (cátodo), reacciona con los electrodos. "Empieza a consumir los electrodos, ", Dijo Choudhury." Forma muchos productos aislantes que impiden el transporte de iones. Tiempo extraordinario, estos se acumulan para producir una resistencia de celda interna tan prohibitiva que finalmente la batería se desvanece ".
El problema:¿Cómo se detiene una reacción electrolito-electrodo? ¿Cuándo es otra reacción necesaria entre los dos, la transferencia de iones, la que produce energía? La solución de Choudhury se llama interfase artificial de electrolitos sólidos (SEI), un material que protege los electrodos mientras promueve el flujo de electrones de un extremo de la celda al otro.
"Estas interfases se forman naturalmente en todas las celdas electroquímicas ... y su estabilidad quimio-mecánica es fundamental para el éxito del ánodo de grafito en las baterías de iones de litio, "Dijo Archer."
El enfoque de Choudhury para crear una interfase de diseñador funcional se basa en polímeros iónicos (ionómeros) que contienen bromuro que se unen selectivamente al ánodo de litio para formar una capa conductora de pocos nanómetros de espesor que protege el electrodo de la degradación y la decoloración. Los ionómeros SEI muestran tres atributos que permiten una mayor estabilidad durante la electrodeposición:protección del ánodo contra el crecimiento de dendritas; mediación de reducción-oxidación (redox), que reduce los sobrepotenciales de carga; y la formación de una interfase estable con litio, protegiendo el metal mientras promueve el transporte de iones.
Todavía existe un desafío:todas las celdas electroquímicas de litio y oxígeno de grado de investigación se evalúan utilizando oxígeno puro como material de cátodo activo. Para un litio-oxígeno comercialmente viable (o litio-aire, como también se le conoce) celular, necesitaría extraer oxígeno del aire, y que el oxígeno también contiene otros componentes reactivos, como la humedad y el dióxido de carbono.
Si se pueden resolver las ineficiencias que limitan el rendimiento de las pilas de combustible de oxígeno y litio, las excepcionales opciones de almacenamiento de energía que ofrece la química celular serían un gran paso adelante para el transporte electrificado y un avance revolucionario para la robótica autónoma, Dijo Archer.
"Es revelador a partir de las observaciones de los robots humanoides más avanzados que siempre están atados a un cable eléctrico ultra largo o están usando algo como un motor de cortadora de césped ruidoso para generar energía, ", Dijo Archer." Cualquiera de las fuentes de energía se compara mal con los sistemas vivos que se han desarrollado:las tecnologías de almacenamiento de energía como las celdas de Li-air que aprovechan los materiales del entorno prometen cerrar esta brecha ".
Otros contribuyentes fueron Lena Kourkoutis, profesora asistente y Rebecca Q. y James C. Morgan Sesquicentennial Faculty Fellow en física aplicada e ingeniería; El estudiante de doctorado de CBE Wajdi Al Sadat; Sampson Lau, Doctor. 'dieciséis; Zhengyuan Tu, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales; y Michael Zachman, estudiante de doctorado en física aplicada e ingeniería.
Archer notó que Wan y Lau construyeron la celda electroquímica, incluido el diseño de la configuración del cátodo, utilizado en su experimentación.
"Charles es un estudiante universitario excepcional, ", Dijo Archer." Los estudiantes universitarios están aquí principalmente para centrarse en obtener una educación de primer nivel e históricamente han tenido poco tiempo para realizar investigaciones. Pero cada vez más se dedican a la investigación, ya un nivel que en algunos casos es comparable a nuestro mejor doctorado. estudiantes."
"Soy realmente afortunado de tener al profesor Archer como mentor, ", Dijo Wan." Esta publicación es una prueba de que los estudiantes universitarios pueden desempeñar un papel fundamental en la investigación si se les da la oportunidad, algo que el profesor Archer cree de todo corazón ".
