Las baterías de metal-aire se han buscado como sucesoras de las baterías de iones de litio debido a sus excepcionales densidades de energía gravimétrica. Potencialmente, podrían permitir que los autos eléctricos viajen mil millas o más con una sola carga.

Un nuevo miembro prometedor de la familia de baterías de aire de metal alcalino es la batería de aire y potasio, que tiene más de tres veces la densidad de energía gravimétrica teórica de las baterías de iones de litio. Un desafío clave en el diseño de baterías de potasio-aire es elegir el electrolito correcto, el líquido que facilita la transferencia de iones entre el cátodo y el ánodo.

Típicamente, los electrolitos se eligen mediante un enfoque de prueba y error basado en reglas generales que correlacionan varias propiedades de los electrolitos, seguido de pruebas exhaustivas (y que requieren mucho tiempo) de varios candidatos a electrolitos para ver si se logra el rendimiento deseado.

Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, dirigido por Vijay Ramani, el profesor Roma B. y Raymond H. Wittcoff Distinguido de Medio Ambiente y Energía en la Escuela de Ingeniería McKelvey, Ahora han mostrado cómo los electrolitos para baterías de aire de metal alcalino se pueden elegir usando un solo, parámetro de fácil medición.

Su trabajo fue publicado el 8 de julio en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El equipo de Ramani estudió las interacciones fundamentales entre la sal y el disolvente en el electrolito y mostró cómo estas interacciones pueden influir en el rendimiento general de la batería. Desarrollaron un parámetro novedoso, a saber, el módulo de Thiele "electroquímico", una medida de la facilidad de transporte de iones y reacción en la superficie de un electrodo.

Esta investigación documenta la primera vez que la teoría de la transferencia de electrones de Marcus-Hush, ganadora del Premio Nobel, se ha utilizado para estudiar el impacto de la composición de electrolitos en el movimiento de iones a través del electrolito, y su reacción en la superficie del electrodo.

Se demostró que este módulo de Thiele disminuye exponencialmente al aumentar la energía de reorganización del disolvente, una medida de la energía necesaria para modificar la esfera de solvatación de una especie disuelta. Por lo tanto, la energía de reorganización de solventes podría usarse para seleccionar racionalmente electrolitos para baterías de metal-aire de alto rendimiento. No más ensayo y error.

"Comenzamos tratando de comprender mejor la influencia del electrolito en la reacción de reducción de oxígeno en los sistemas de baterías de metal-aire, "dijo Shrihari Sankarasubramanian, científico investigador del equipo de Ramani y autor principal del estudio.

"Terminamos mostrando cómo la difusión de iones en el electrolito y la reacción de estos iones en la superficie del electrodo están correlacionadas con la energía necesaria para romper la capa de solvatación alrededor de los iones disueltos".

"Mostrar cómo un descriptor de parámetro único de la energía de solvatación se correlaciona tanto con el transporte de iones como con la cinética de reacción en la superficie es un gran avance, ", Dijo Ramani." Nos permitirá desarrollar racionalmente nuevos electrolitos de alto rendimiento para baterías de metal-aire ".