(Phys.org) - Como sugiere su nombre, Las baterías de Li-Air usan aire para operar, extrayendo moléculas de oxígeno para usar en un poroso, cátodo a base de carbono, mientras se usa litio en el ánodo. Porque usar aire significa que la batería no tiene que almacenar una fuente de carga pesada en el cátodo, las baterías pueden proporcionar una densidad de energía extremadamente alta, contener casi tanta energía en un volumen dado como la gasolina, y 5-10 veces más que las baterías de iones de litio. A pesar de este gran atractivo, Las baterías de Li-Air aún enfrentan muchas limitaciones que las impiden su comercialización. En un nuevo estudio, un equipo de investigadores ha abordado uno de estos desafíos:reversibilidad, lo cual es necesario para poder recargar la batería varias veces.
Los investigadores, Thomas Arruda, Amit Kumar, Sergei Kalinin, y Stephen Jesse del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, han publicado un artículo en un número reciente de Nanotecnología en el que exploran los factores que controlan la reversibilidad del crecimiento de partículas en un electrolito subyacente a las baterías de Li-aire y nanobaterías.
“Creemos que este trabajo allana el camino para el estudio de la electroquímica a nanoescala irreversible o casi reversible, en sistemas de materiales que van desde baterías de Li-aire hasta campos más establecidos como la corrosión, galvanoplastia, y muchos otros, "Kalinin dijo Phys.org .
"Baterías de litio primarias, que no son recargables y desechables, tienen altas densidades de energía y están disponibles comercialmente desde la década de 1960; sin embargo, solo se pueden usar una vez, ”Dijo Arruda. “Para que estas células sean competitivas, por ejemplo, con combustibles fósiles (es decir, aplicaciones automotrices), necesitan recargarse cientos, si no miles, de veces. Considere el reabastecimiento promedio de combustible una vez por semana. Esto equivale a más de 500 rellenos en el transcurso de una década. Una batería de aire de litio de automóvil debería cumplir este criterio, incluso sin considerar el costo u otras métricas importantes. De hecho, La reversibilidad sigue siendo la tarea más importante y difícil de lograr para las baterías de Li-aire, como lo demuestra el intenso escrutinio de los principales expertos en baterías ".
Cuando se utiliza una batería de Li-Air cargada, los iones de Li en el ánodo viajan al cátodo, donde reaccionan con el oxígeno a través de una reacción de reducción de oxígeno. Los electrones resultantes de esta reacción se recolectan y utilizan para proporcionar electricidad a dispositivos electrónicos. Para recargar la batería, los iones de Li deben viajar desde el cátodo de regreso al ánodo. Como explican los investigadores, La razón por la que es tan difícil hacer que las baterías de Li-aire sean recargables es porque las baterías combinan los procesos más difíciles utilizados tanto en baterías como en pilas de combustible.
“La base de estos procesos es una abundancia de químicas desfavorables, como la escasa solubilidad de los productos de reacción (especies LiOx), cinética de reacción lenta, y la propensión del metal Li a reaccionar desfavorablemente con casi todo, Dijo Jesse. “Para el caso del ánodo, la electrodeposición de iones Li en Li metálico a menudo procede con la formación de partículas de Li en forma de agujas llamadas dendritas. Estas partículas afectan negativamente a la batería al (1) desconectarse del ánodo y, por lo tanto, no están disponibles para participar en la reacción y (2) aumentan el riesgo de un cortocircuito interno que podría causar una fuga térmica e incendio. En el cátodo, la reacción de reducción de oxígeno sigue siendo un desafío tan grande para las baterías de Li-aire como para las pilas de combustible. Cuando las dos reacciones se combinan, forman una mezcla de productos insolubles que son difíciles de reaccionar a la inversa y eventualmente ahogan el cátodo ".
En su estudio, los investigadores utilizaron un microscopio de fuerza atómica (AFM) para investigar la reversibilidad de la batería mediante el análisis del crecimiento de partículas de Li. Mientras barre el sesgo de una punta AFM de 20 nm a través de la superficie de un electrolito de cerámica de vidrio conductor de iones de litio, midieron el cambio en la altura de la punta durante el proceso de ciclado. Descubrieron que los aumentos y disminuciones en la altura de la punta corresponden a cambios en la corriente, permitiéndoles demostrar la existencia de reversibilidad, así como mapear el grado de reversibilidad en diferentes ubicaciones.
En el futuro, los investigadores esperan mejorar aún más la reversibilidad, y tenga en cuenta que las baterías de Li-aire aún enfrentan muchos otros desafíos antes de que puedan comercializarse.
“Se requieren desarrollos tecnológicos e ingeniería de sistemas en todos los componentes principales de las baterías de Li-aire para llevar esta tecnología al mercado, —Dijo Kalinin. "Se necesitan mejores catalizadores en el cátodo, La protección del ánodo de Li sin impedimentos funcionales sigue siendo primordial, y es necesario desarrollar electrolitos multifuncionales superiores. La omnipresente necesidad de comprender los procesos fundamentales en el nivel más básico de los componentes clave de la batería sigue siendo una prioridad absoluta. Solo después de que se logre una comprensión integral de los procesos elementales, se podrán afinar las químicas y diseñar adecuadamente los sistemas para cumplir con las métricas exigidas por la aplicación ”.
Si los investigadores pueden superar estos desafíos, Las baterías de li-aire podrían almacenar energía para una amplia variedad de aplicaciones.
"Si se pudieran realizar las baterías de Li-aire, la aplicación principal sería para el transporte y otras situaciones donde la movilidad es necesaria (como computadoras portátiles, etc.) ya que serán muy ligeros por la cantidad de energía que almacenan, ”Dijo Arruda. “La optimización de las baterías de Li-aire para incluir una gran cantidad de ciclos de carga / descarga reducirá el costo y hará que los vehículos totalmente eléctricos sean una realidad sin la necesidad de baterías pesadas como es la situación actual. Más allá de esto, Es fácil imaginar que esta tecnología (nanobaterías de Li-aire) se aplique a sistemas microelectromecánicos y nanoelectromecánicos (MEMS y NEMS). Estos pueden ser los sistemas ideales para emplear fuentes de energía, ya que tendrían demandas de energía mucho más bajas y podrían funcionar durante períodos de tiempo prolongados ".
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