Uno de los nuevos tipos de batería más prometedores para alimentar automóviles eléctricos se llama batería de litio-aire, que podría almacenar hasta cuatro veces más energía por libra que las mejores baterías de iones de litio de la actualidad. Pero el progreso ha sido lento:la naturaleza de las reacciones electroquímicas cuando se cargan estas baterías sigue siendo poco conocida.

Los investigadores del MIT y Sandia National Laboratories han utilizado imágenes de microscopio electrónico de transmisión (TEM) para observar, a nivel molecular, lo que sucede durante una reacción llamada evolución de oxígeno a medida que se cargan las baterías de litio-aire; Se cree que esta reacción es un cuello de botella que limita las mejoras adicionales de estas baterías. La técnica TEM podría ayudar a encontrar formas de hacer prácticas tales baterías en un futuro próximo.

El trabajo se describe en un Nano letras artículo de Robert Mitchell, quien recientemente recibió un doctorado en ciencia e ingeniería de materiales del MIT; Betar Gallant, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica; Carl Thompson, el Catedrático Stavros Salapatas de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Yang Shao-Horn, la Profesora Asociada Gail E. Kendall de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales; y otros cuatro autores.

Oxidación en acción

Las nuevas observaciones muestran, por primera vez, la oxidación del peróxido de litio, el material formado durante la descarga en una batería de litio-aire. A altas tasas de carga, esta oxidación ocurre principalmente en el límite entre el peróxido de litio y el sustrato de carbono en el que crece durante la descarga; en este caso, nanotubos de carbono de paredes múltiples utilizados en el electrodo de la batería.

El confinamiento a esta interfaz, Shao-Horn dice:muestra que es la resistencia del peróxido de litio a un flujo de electrones lo que limita la carga de tales baterías en condiciones prácticas de carga.

Una punta de sonda recubierta de electrolito sirve como electrodo opuesto para eliminar los iones de litio durante la carga. a medida que los electrones fluyen a través del marco de nanotubos hacia el circuito externo. Durante la carga, las partículas de peróxido de litio se encogen comenzando en la interfaz nanotubo-peróxido, mostrando que la oxidación ocurre donde es más fácil remover electrones.

"El transporte de litio puede mantenerse al día, "Shao-Horn dice, lo que indica que el transporte de electrones podría ser un límite crítico en la carga de baterías para vehículos eléctricos.

Carga más rápida

De hecho, la tasa de oxidación del peróxido de litio en estos experimentos fue aproximadamente 100 veces más rápida que el tiempo de carga de las baterías de litio-aire a escala de laboratorio, y se acerca a lo que se necesita para las aplicaciones. Esto demuestra que si se pueden mejorar las características de transferencia de electrones de estas baterías, podría permitir una carga mucho más rápida y minimizar las pérdidas de energía.

"Esto proporciona información sobre cómo diseñar el electrodo de aire, ", Dice Shao-Horn." Que sepamos, esta es la primera evidencia directa de que el transporte de electrones está limitando la carga ".

Gallant dice que este hallazgo sugiere que el rendimiento de la batería de litio-aire mejoraría si los electrodos tuvieran una estructura de gran superficie para maximizar el contacto entre el peróxido de litio y el carbono necesario para transportar los electrones durante la carga.

El "siguiente paso muy importante, "Shao-Horn dice, será medir las corrientes reales durante la carga. Su equipo está trabajando con investigadores de Sandia National Laboratories, algunos de los cuales fueron coautores de este artículo.

Jie Xiao, un investigador del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico que no participó en esta investigación, dice, "Este trabajo ha identificado la condición limitante clave, transporte de electrones ... proporcionando una contribución fundamental ".

Xiao agrega, "Este es un gran ejemplo de cómo la investigación fundamental puede mejorar significativamente nuestra comprensión para resolver desafíos en dispositivos prácticos. La información proporcionada en este documento beneficiará el diseño racional del electrodo de aire de las baterías de litio-aire. ... Esta investigación es de alta calidad y atraerá un gran interés ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.