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batería de litio-aire

La batería de litio-aire ( Li-aire ) es una celda electroquímica de metal-aire o una batería que utiliza la oxidación del litio en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cáto...

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La batería de litio-aire ( Li-aire ) es una celda electroquímica de metal-aire o una batería que utiliza la oxidación del litio en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo para inducir un flujo de corriente. [ 1 ]

En teoría , la combinación de litio y oxígeno ambiental puede dar lugar a celdas electroquímicas con la mayor energía específica posible . De hecho, la energía específica teórica de una batería de litio-aire no acuosa, en estado cargado con el producto Li₂O₂ y sin incluir la masa de oxígeno, es de aproximadamente 40,1 MJ/kg. Esto es comparable a la energía específica teórica de la gasolina, de aproximadamente 46,8 MJ/kg. En la práctica, se han demostrado baterías de litio-aire con una energía específica de aproximadamente 6,12 MJ/kg de litio a nivel de celda. Esto es aproximadamente 5 veces mayor que la de una batería de iones de litio comercial y es suficiente para alimentar un vehículo eléctrico  de 2000 kg durante aproximadamente 500 km (310 millas) con una sola carga utilizando 60 kg de litio (es decir, 20,4 kWh/100 km). Sin embargo, la potencia práctica y la vida útil de las baterías de litio-aire necesitan mejoras significativas antes de que puedan encontrar un nicho de mercado.  

Se necesitan avances significativos en electrolitos para desarrollar una implementación comercial. [ 2 ] Se están considerando cuatro enfoques: aprótico , [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] acuoso , [ 6 ] estado sólido [ 7 ] y mixto acuoso-aprótico. [ 8 ]

Un importante motor de mercado para las baterías es el sector automotriz. La densidad energética de la gasolina es de aproximadamente 13  kW·h/kg, lo que corresponde a 1,7  kW·h/kg de energía suministrada a las ruedas después de las pérdidas. Teóricamente, las baterías de litio-aire pueden alcanzar 12  kW·h/kg (43,2  MJ/kg) sin incluir la masa de oxígeno. Si se tiene en cuenta el peso del paquete completo de baterías (carcasa, canales de aire, sustrato de litio), se reduce la densidad energética efectiva. [ 9 ]

Historia

Propuestas originalmente en la década de 1970 como una posible fuente de energía para vehículos eléctricos de batería y vehículos eléctricos híbridos , las baterías de litio-aire recuperaron el interés científico a finales de la primera década de los 2000 debido a los avances en la ciencia de los materiales .

Aunque la idea de una batería de litio-aire existía mucho antes de 1996, [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] la relación riesgo-beneficio se consideraba demasiado alta para seguir adelante. De hecho, tanto el electrodo negativo (metal de litio) como el positivo (aire u oxígeno) son las razones por las que, respectivamente, las baterías recargables de litio-metal no llegaron al mercado en la década de 1970 (la batería de iones de litio de un teléfono móvil utiliza un compuesto de LiC 6 -grafito en el electrodo negativo, no un metal de litio). No obstante, debido a la percepción de falta de otras alternativas a las baterías recargables de alta energía específica, y debido a algunos resultados inicialmente prometedores de laboratorios académicos, [ 10 ] [ 11 ] tanto el número de patentes como de publicaciones de dominio libre relacionadas con baterías de litio-oxígeno (incluidas las de litio-aire) comenzaron a crecer exponencialmente en 2006. [ 14 ] [ 11 ] Sin embargo, las dificultades técnicas que enfrentan dichas baterías, especialmente los tiempos de recarga, la sensibilidad al nitrógeno y al agua, y [ 15 ] la baja conductividad intrínseca de las especies de Li 2 O 2 cargadas son desafíos importantes. [ 16 ]

En 2025, un grupo de investigación del Instituto Tecnológico de Illinois y el Laboratorio Nacional Argonne anunció un prototipo que aprovechaba una ruta de reacción química de cuatro electrones que forma y descompone óxido de litio, lo que amplía el almacenamiento de energía disponible. Los intentos anteriores generalmente producían peróxido de litio o superóxido de litio , con menor densidad de energía. Utilizaron un polímero de óxido de polietileno cerámico en estado sólido y un electrolito de matriz de nanopartículas ricas en litio que detuvo las fugas y estabilizó el funcionamiento. [ 17 ]

En 2026, el mayor fabricante de baterías del mundo, CATL, anunció que tenía la intención de centrar su desarrollo futuro en las baterías de litio-aire y que había logrado una densidad de energía de 1200 wh/kg en un prototipo. [ 17 ]

Diseño y funcionamiento

Esquema de los ciclos de carga y descarga de una batería de litio-aire.

En general, los iones de litio se mueven entre el ánodo y el cátodo a través del electrolito. Durante la descarga, los electrones siguen el circuito externo para realizar trabajo eléctrico y los iones de litio migran al cátodo. Durante la carga, el litio metálico se deposita sobre el ánodo, liberando oxígeno.2 en el cátodo. [ 18 ] Se han considerado baterías deLi-O2tanto no acuosas [ 19 ] (con Li2O2o LiO2 como productos de descarga) como acuosas (LiOH como producto de descarga). [ 20 ] [ 21 ] La batería acuosa requiere una capa protectora en el electrodo negativo para evitar que el metal Li reaccione con el agua.

Ánodo

Esquema de la interfaz electrolítica artificial frente a la espontánea

El litio metálico es la opción típica para el ánodo. En el ánodo, el potencial electroquímico fuerza al litio metálico a liberar electrones mediante oxidación (sin involucrar al oxígeno catódico). La semirreacción es: [ 22 ]

Li ⇌ Li + + e −

El litio tiene una alta capacidad específica (3840  mAh/g) en comparación con otros materiales de baterías metal-aire (820  mAh/g para el zinc , 2965  mAh/g para el aluminio ). [ 23 ] Varios problemas afectan a estas celdas. El principal desafío en el desarrollo del ánodo es evitar que el ánodo reaccione con el electrolito. Las alternativas incluyen nuevos materiales de electrolito o rediseñar la interfaz entre el electrolito y el ánodo. Los ánodos de litio corren el riesgo de depósitos dendríticos de litio, lo que disminuye la capacidad de energía o provoca un cortocircuito . [ 24 ] Los efectos del tamaño de poro y la distribución del tamaño de poro aún no se comprenden del todo. [ 23 ]

Durante la carga/descarga en celdas apróticas, se precipitan capas de sales de litio sobre el ánodo, cubriéndolo finalmente y creando una barrera entre el litio y el electrolito. Esta barrera inicialmente previene la corrosión, pero con el tiempo inhibe la cinética de reacción entre el ánodo y el electrolito. [ 25 ] Este cambio químico de la interfaz sólido-electrolito (SEI) produce una composición química variable en la superficie, lo que provoca que la corriente varíe en consecuencia. La distribución desigual de la corriente favorece el crecimiento de dendritas ramificadas y, por lo general, conduce a un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo. [ 26 ]

En las celdas acuosas, los problemas en la SEI se derivan de la alta reactividad del litio metálico con el agua. [ 27 ]

Existen varios enfoques que intentan superar estos problemas:

  • Formación de una capa protectora de iones de litio mediante electrolitos de copolímeros de di- y tribloque . [ 28 ] Según Seeo, Inc., [ 28 ] dichos electrolitos (por ejemplo, poliestireno con la alta conductividad de iones de litio de un segmento de polímero blando, como una mezcla de poli(óxido de etileno (PEO) y sal de litio) ) combinan la estabilidad mecánica de un segmento de polímero duro con la alta conductividad iónica de la mezcla de polímero blando y sal de litio. La dureza inhibe los cortocircuitos dendríticos mediante bloqueo mecánico.
  • Los materiales de vidrio o vitrocerámica conductores de iones de litio [ 7 ] [ 29 ] [ 30 ] se reducen (generalmente) fácilmente por el litio metálico y, por lo tanto, una película delgada de un material conductor de litio estable, como Li3 PoLi3 N, se puede insertar entre la cerámica y el metal. Esta capa SEI a base de cerámica inhibe la formación de dendritas y protege el litio metálico de la contaminación atmosférica.

Cátodo

En el cátodo durante la carga, el oxígeno dona electrones al litio mediante reducción. El carbono mesoporoso se ha utilizado como sustrato de cátodo con catalizadores metálicos [ 31 ] que mejoran la cinética de reducción y aumentan la capacidad específica del cátodo. [ 32 ] El manganeso, el cobalto, el rutenio, el platino, la plata o una mezcla de cobalto y manganeso son catalizadores metálicos potenciales. En algunas circunstancias, los cátodos catalizados con manganeso tuvieron el mejor rendimiento, con una capacidad específica de 3137  mA·H/g de carbono, y los cátodos catalizados con cobalto tuvieron el segundo mejor rendimiento, con una capacidad específica de 2414  mA·H/g de carbono. [ 33 ] Basándose en el primer modelado a escala de poro de baterías de litio-aire, la microestructura del cátodo afecta significativamente la capacidad de la batería tanto en regímenes sin bloqueo de poros como con bloqueo de poros. [ 34 ]

La mayoría de las limitaciones de las baterías de litio-aire se encuentran en el cátodo, que es también la fuente de sus ventajas potenciales. El oxígeno atmosférico debe estar presente en el cátodo, pero contaminantes como el vapor de agua pueden dañarlo. [ 4 ] La descarga incompleta debido al bloqueo del cátodo de carbono poroso con productos de descarga como el peróxido de litio (en diseños apróticos) es el problema más grave.

Los catalizadores han demostrado ser prometedores para crear una nucleación preferencial de Li.2 O2 sobreLi2 O, que es irreversible con respecto al litio. [ 35 ]

El rendimiento de las baterías de litio-aire está limitado por la eficiencia de la reacción en el cátodo, ya que la mayor parte de la caída de voltaje ocurre allí. [ 23 ] Se han evaluado diversas químicas, diferenciadas por su electrolito. Esta discusión se centra en electrolitos apróticos y acuosos, dado que la electroquímica de estado sólido aún no se comprende completamente.

En una celda con un electrolito aprótico, los óxidos de litio se producen mediante reducción en el cátodo:

Li + + e − + O2 + * →LiO2 *
Li + + e − + LiO2 * →Li2 O2 *

donde "*" denota un sitio de superficie en Li2 O2 donde procede el crecimiento, que es esencialmente una vacante de Li neutra en elLi2 O2 superficies.

Los óxidos de litio son insolubles en electrolitos apróticos, lo que provoca la obstrucción del cátodo. [ 36 ]

Un MnO experimentalUn cátodo de matriz de nanocables 2 , aumentado mediante unbacteriófago M13, ofreció una densidad energética de dos a tres veces mayor que la de las baterías de iones de litio de 2015. El virus aumentó el tamaño de la matriz de nanocables, que tiene aproximadamente 80 nm de diámetro. Los nanocables resultantes presentaban una superficie espinosa. Las espinas crean una mayor superficie para albergar sitios de reacción. El proceso viral crea una estructura 3D reticulada, en lugar de nanocables aislados, lo que estabiliza el electrodo. El proceso viral se realiza en agua y a temperatura ambiente. [ 37 ] [ 38 ]

Electrólito

Los esfuerzos en el campo de las baterías de litio-aire se han centrado en cuatro electrolitos: acuoso ácido, acuoso alcalino, prótico no acuoso y aprótico.

En una celda con un electrolito acuoso, la reducción en el cátodo también puede producir hidróxido de litio:

Acuoso

Una batería acuosa de litio-aire consta de un ánodo de litio metálico, un electrolito acuoso y un cátodo de carbono poroso. El electrolito acuoso combina sales de litio disueltas en agua. Esto evita el problema de la obstrucción del cátodo, ya que los productos de la reacción son solubles en agua. [ 6 ] El diseño acuoso tiene un potencial de descarga práctico más alto que su contraparte aprótica. Sin embargo, el litio metálico reacciona violentamente con el agua, por lo que el diseño acuoso requiere una interfaz de electrolito sólido entre el litio y el electrolito. Comúnmente, se utiliza una cerámica o vidrio conductor de litio, pero la conductividad suele ser baja (del orden de 10 −3 S/cm a temperatura ambiente). [ 27 ]

Electrolito ácido

Esquema del diseño de una batería de litio-aire de tipo mixto acuoso-aprótico.
2 Li + 1/2 O2 + 2H+→ 2 Li++H2 O

En la reacción interviene una base conjugada. La energía específica y la densidad energética máximas teóricas de la celda de litio-aire son 1400  W·h/kg y 1680  W·h/L, respectivamente. [ 9 ]

electrolito acuoso alcalino

2 Li + 1/2 O2 +H2 O→ 2 LiOH

Las moléculas de agua participan en las reacciones redox en el cátodo de aire. La energía específica y la densidad de energía máximas teóricas de la celda de litio-aire son 1300  W·h/kg y 1520  W·h/L, respectivamente. [ 9 ]

Los nuevos materiales catódicos deben tener en cuenta la capacidad de alojar cantidades sustanciales de LiO.2 ,Li2 O2 y/o LiOH sin provocar el bloqueo de los poros del cátodo y emplear catalizadores adecuados para que las reacciones electroquímicas sean energéticamente viables.

  • Los materiales con sistema de poros dobles ofrecen la capacidad energética más prometedora. [ 39 ]
  • El primer sistema de poros sirve como almacén de productos de oxidación.
  • El segundo sistema de poros sirve para el transporte de oxígeno.

Aprótico

Esquema del diseño de una batería de litio-aire de tipo aprótico

Las baterías de Li-aire no acuosas se demostraron primero. [ 10 ] Por lo general, utilizan disolventes mixtos de carbonato de etileno + carbonato de propileno con LiPF 6 o sales de bis-sulfonimida de Li como las baterías de iones de litio convencionales, pero con un electrolito gelificado en lugar de líquido. [ 21 ] La diferencia de voltaje durante la carga y descarga de corriente constante suele estar entre 1,3 y 1,8 V (con un OCP de aprox. 4,2  V) incluso a corrientes tan bajas como 0,01–0,5 mA/cm 2 y 50–500 mA/g de C en el electrodo positivo (ver Figura 2), [ 20 ] [ 19 ] [ 40 ] Sin embargo, los disolventes de carbonato se evaporan y se oxidan debido a una alta sobretensión durante la carga. [ 41 ] Se han considerado otros disolventes, como glicoles con terminación, DMSO, dimetilacetamida y líquidos iónicos. [ 20 ] [ 21 ] El cátodo de carbono se oxida por encima de +3,5 V v Li durante la carga, formando Li 2 CO 3 , lo que conlleva una pérdida de capacidad irreversible. [ 21 ]

La mayoría de los esfuerzos involucraron materiales apróticos , que consisten en un ánodo de litio metálico, un electrolito orgánico líquido y un cátodo de carbono poroso. [ 3 ] El electrolito puede estar hecho de cualquier líquido orgánico capaz de solvatar sales de litio como LiPF6 ,LiAsF6 ,LiN(SO2 CF3 )2 yLiSO3 CF3 , pero típicamente consistía encarbonatos,éteresyésteres. [ 3 ] [ 18 ] El cátodo de carbono generalmente está hecho de un material de carbono de alta superficie con unde óxido metálico(comúnmenteMnO2 oMn3 O4 ). Una ventaja importante es la formación espontánea de una barrera entre el ánodo y el electrolito (análoga a la barrera formada entre el electrolito y los ánodos de carbono-litio en las baterías de iones de litio convencionales) que protege al litio metálico de una mayor reacción con el electrolito. Aunque recargable, [ 9 ] elLi2 OEl 2 producido en el cátodo es generalmente insoluble en el electrolito orgánico, lo que provoca una acumulación a lo largo de la interfaz cátodo/electrolito. Esto hace que los cátodos en baterías apróticas sean propensos a la obstrucción y a la expansión de volumen, lo que reduce progresivamente la conductividad y degrada el rendimiento de la batería. [ 6 ] [ 27 ] [ 42 ] Otro problema es que los electrolitos orgánicos son inflamables y pueden incendiarse si la celda está dañada. [ 7 ]

Aunque la mayoría de los estudios coinciden en que Li2 O2 es el producto de descarga final de las baterías de Li-O 2no acuosas, evidencia considerable de que su formación no procede como una electroreducción directa de 2 electrones a peróxidoO 2− 2 (que es la vía común para la reducción de O2en agua sobre carbono) sino más bien a través de una reducción de un electrón a superóxidoO − 2 , seguida de su desproporción:

Tradicionalmente, el superóxido ( O − 2 ) se consideraba un intermediario peligroso en las baterías de oxígeno apróticas debido a su alta nucleofilicidad , basicidad y potencial redox [ 20 ] [ 19 ] Sin embargo, los informes [ 43 ] [ 44 ] sugieren que el LiO 2 es un intermediario durante la descarga a peróxido ( Li2 O2 ) y puede utilizarse como producto de descarga final, potencialmente con una vida útil mejorada, aunque con una energía específica menor (un peso de batería ligeramente mayor). De hecho, se demostró que, bajo ciertas condiciones, el superóxido puede ser estable en la escala de 20 a 70 h a temperatura ambiente. [ 43 ] No se abordó la pérdida irreversible de capacidad por desproporción de LiO2en la batería cargada.

Pt/C parece ser el mejor electrocatalizador para la evolución de O 2 y Au/C para la reducción de O 2 cuando Li2 O2 es el producto. [ 45 ] Sin embargo, "el rendimiento de las baterías recargables de litio-aire con electrolitos no acuosos está limitado por las reacciones en el electrodo de oxígeno, especialmente por la evolución de O2.Los electrodos de aire de carbono poroso convencionales no pueden proporcionar capacidades de mAh/g y mAh/cm2y tasas de descarga en las magnitudes requeridas para baterías de densidad energética realmente alta para aplicaciones de vehículos eléctricos." [ 45 ] La capacidad (en mAh/cm22no acuosasestán limitadas por la deposición de fases de LiOx insolubles y con baja conductividad electrónica durante la descarga. [ 20 ] (Li3 OSe prevé que el compuesto 4 tenga una mejor conductividad de Li+ que el LiO2yel Li2 O2 fases). [ 46 ] Esto hace que la energía específica práctica de las baterías de Li-O₂seasignificativamente menor que la que predice el cálculo a nivel de reactivos. Parece que estos parámetros han alcanzado sus límites, y solo se espera una mejora adicional mediante métodos alternativos.

Acuoso mixto-aprótico

Esquema del diseño de una batería de litio-aire de tipo acuoso

El diseño de batería de litio-aire acuosa-aprótica o mixta busca combinar las ventajas de los diseños de baterías apróticas y acuosas. La característica común de los diseños híbridos es un electrolito de dos partes (una parte acuosa y otra aprótica) conectado por una membrana conductora de litio . El ánodo está en contacto con el lado aprótico, mientras que el cátodo está en contacto con el lado acuoso. Generalmente se emplea una cerámica conductora de litio como membrana que une los dos electrolitos. [ 6 ] [ 9 ]

El uso de un electrolito sólido (véase la Fig. 3) es uno de esos enfoques alternativos que permite una combinación de un ánodo de litio metálico con un cátodo acuoso. [ 47 ] Se han estudiado los electrolitos sólidos cerámicos (CSE) de la familia NASICON (por ejemplo, Li 1−x A x M 2−x (PO 4 ) 3 con A ∈ [Al, Sc, Y] y M ∈ [Ti, Ge]). Compatibles con el agua a pH alcalino y con una gran ventana electroquímica (véanse las Figs. 3,4), su baja conductividad de iones Li+ cerca de la temperatura ambiente (< 0,005 S/cm, >85 Ω cm 2 ) [ 21 ] los hace inadecuados para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionaria y automotriz que exigen bajo costo (es decir, densidades de corriente de operación superiores a 100 mA/cm 2 ). Además, tanto el Ti como el Ge se reducen por el Li metálico, y se requiere una capa intermedia entre el electrodo cerámico y el electrodo negativo. En cambio, los electrolitos poliméricos sólidos (SPE) pueden proporcionar una mayor conductividad a costa de una permeación más rápida del agua y de otras moléculas pequeñas que reaccionan con el litio metálico. Entre las membranas más exóticas consideradas para las baterías de Li-O₂ se encuentra el silicio monocristalino. [ 41 ]

En 2015, los investigadores anunciaron un diseño que utilizaba grafeno altamente poroso para el ánodo, un electrolito de bis(trifluorometil)sulfonilimida de litio/dimetoxietano con agua añadida y yoduro de litio para usarlo como "mediador". El electrolito produce hidróxido de litio (LiOH) en el cátodo en lugar de peróxido de litio ( Li2 O2 ). El resultado ofreció una eficiencia energética del 93 por ciento (diferencia de voltaje de 0,2) y se cicló más de 2000 veces con poco impacto en la salida. [ 48 ] [ 49 ] Sin embargo, el diseño requería oxígeno puro, en lugar de aire ambiente. [ 50 ]

Estado sólido

Esquema del diseño de una batería de litio-aire de estado sólido

El diseño de una batería de estado sólido resulta atractivo por su seguridad, ya que elimina la posibilidad de ignición por ruptura. [ 7 ] Las baterías de litio-aire de estado sólido actuales utilizan un ánodo de litio, un electrolito cerámico, vítreo o vitrocerámico y un cátodo de carbono poroso. El ánodo y el cátodo suelen estar separados del electrolito por compuestos poliméricos-cerámicos que mejoran la transferencia de carga en el ánodo y acoplan electroquímicamente el cátodo al electrolito. Estos compuestos reducen la impedancia total. El principal inconveniente del diseño de baterías de estado sólido es la baja conductividad de la mayoría de los electrolitos vitrocerámicos. La conductividad iónica de los conductores rápidos de iones de litio actuales es inferior a la de las alternativas de electrolitos líquidos. [ 51 ]

Desafíos

En 2013, los diseñadores se enfrentaban a numerosos desafíos, en particular la pasivación de la superficie y la obstrucción de los poros. [ 52 ]

El funcionamiento a largo plazo de las baterías requiere la estabilidad química de todos sus componentes. Los diseños actuales de celdas muestran poca resistencia a la oxidación por productos e intermedios de reacción. Muchos electrolitos acuosos son volátiles y se evaporan. [ 23 ] La estabilidad se ve aún más comprometida por reacciones químicas parásitas, por ejemplo, aquellas que involucran oxígeno reactivo . [ 53 ] [ 54 ]

Cátodo

La mayoría de las limitaciones de las baterías de litio-aire se encuentran en el cátodo, que también es la fuente de sus ventajas potenciales. La más destacada es la descarga incompleta debido al bloqueo del cátodo de carbono poroso con productos de descarga como el peróxido de litio (en diseños apróticos). Se han modelado varios modos de precipitación. [ 55 ] Se definió un parámetro, Da, para medir las variaciones de temperatura, concentración de especies y potenciales. [ 56 ] [ 57 ]

Además del bloqueo del flujo de electrones mediante la formación de un producto aislante, el ciclado de las baterías de litio-aire obstruye los poros destinados a la difusión de oxígeno. La química de una batería de litio-aire estándar produce inevitablemente peróxido de litio , pero los efectos del tamaño y la distribución de los poros aún no se comprenden del todo. [ 23 ] La modulación del tamaño de los poros tiene efectos drásticos en la capacidad de la celda. [ 52 ]

Los catalizadores han demostrado ser prometedores para crear una nucleación preferencial de Li.2 O2 sobreLi2 O, que es irreversible con respecto al litio. [ 35 ]

El oxígeno atmosférico debe estar presente en el cátodo, pero contaminantes como el vapor de agua pueden dañarlo. [ 4 ]

Electroquímica

En los diseños de celdas de 2017, el sobrepotencial de carga es mucho mayor que el sobrepotencial de descarga. Un sobrepotencial de carga significativo indica la presencia de reacciones secundarias. [ 58 ] Por lo tanto, la eficiencia eléctrica es de solo alrededor del 65%. [ 23 ]

Catalizadores como el MnO2 , Co, Pt y Au pueden reducir potencialmente lossobrepotenciales, pero el efecto no se comprende bien. [ 35 ] Varioscatalizadoresmejoran el rendimiento del cátodo, en particularMnO2 , y el mecanismo de mejora se conoce como redox de oxígeno superficial que proporciona abundantes sitios de crecimiento inicial para el peróxido de litio. [ 59 ] También se informa que los catalizadores pueden alterar la estructura de los depósitos de óxido. [ 60 ] [ 61 ]

Otro problema radica en la disminución significativa de la capacidad de la celda al aumentar las tasas de descarga. Esta disminución se atribuye a las limitaciones de la transferencia de carga cinética. [ 23 ] Dado que la reacción anódica ocurre muy rápidamente, se cree que la limitación de la transferencia de carga se produce en el cátodo.

avances

Modulación del tamaño de los poros

La investigación para descifrar los impactos del tamaño y la distribución de los poros continúa, pero se han extraído algunas conclusiones, especialmente en lo que respecta a conjuntos de poros menores de 100  nm. En celdas que utilizan cátodos fabricados con Super P y Ketjen Black , por ejemplo, se han extraído conclusiones que vinculan la interrupción de la descarga en baterías de litio-aire con la pérdida de área superficial cerca de la entrada de aire. A medida que se utiliza la batería, el peróxido de litio se deposita a lo largo de las paredes de los poros, sellándolos gradualmente. [ 62 ]

La razón de este enfoque en poros menores de 100  nm es que los poros más pequeños parecen ser preferibles a pesar de que su pequeño tamaño facilita su sellado con productos de descarga. [ 52 ] Para evitar los problemas de obstrucción de los poros, se recomienda una cantidad selecta de grietas o cavidades grandes para asegurar que el flujo de aire permanezca en la batería incluso después de una gran deposición de peróxido de litio en los poros.

Química de descarga alternativa

Al incorporar electrolitos sólidos compuestos avanzados en el diseño de baterías de estado sólido (como el óxido de polietileno), es posible producir y descomponer óxido de litio dentro de la batería junto con los productos de descarga normales. Si se realiza correctamente, esto puede contribuir a la reversibilidad del proceso de descarga, lo que da como resultado una batería de litio-aire que puede recargarse durante más de 1000 ciclos. [ 63 ]

Aplicaciones

vehículos

Las celdas de litio-aire son de gran interés para los vehículos eléctricos debido a su alta densidad energética teórica, tanto específica como volumétrica, comparable a la de la gasolina . Los motores eléctricos ofrecen una alta eficiencia (95 % frente al 35 % de un motor de combustión interna ). Las celdas de litio-aire podrían ofrecer una autonomía equivalente a la de los vehículos actuales con un paquete de baterías un tercio del tamaño de los depósitos de combustible estándar, suponiendo que el resto de componentes necesarios para su funcionamiento sean de masa o volumen insignificantes.

Copia de seguridad de la red

En 2014, investigadores de la Universidad Estatal de Ohio anunciaron una batería híbrida de células solares. Hasta el 20 % de la energía producida por las células solares convencionales se pierde durante su transporte y carga en la batería. El sistema híbrido almacena casi el 100 % de la energía producida. Una versión del sistema híbrido utilizaba una batería de iones de potasio con una mezcla de potasio y aire. Ofrecía una mayor densidad energética que las baterías de iones de litio convencionales, era más económica y evitaba la generación de subproductos tóxicos. El dispositivo más reciente básicamente sustituyó el potasio por litio. [ 64 ] [ 65 ]

La celda solar utilizaba una malla compuesta por varillas microscópicas de dióxido de titanio para permitir el paso del oxígeno necesario. La luz solar captada producía electrones que descomponían el peróxido de litio en iones de litio, cargando así la batería. Durante la descarga, el oxígeno del aire reponía el peróxido de litio. [ 64 ]

Véase también

Referencias

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