Muchos propietarios de autos eléctricos han deseado un paquete de baterías que pueda impulsar su vehículo por más de mil millas con una sola carga. Investigadores del Instituto de Tecnología de Illinois (IIT) y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado una batería de litio-aire que podría hacer realidad ese sueño. El nuevo diseño de batería del equipo también podría algún día impulsar aviones domésticos y camiones de larga distancia.
El principal componente nuevo de esta batería de litio-aire es un electrolito sólido en lugar de la variedad líquida habitual. Las baterías con electrolitos sólidos no están sujetas al problema de seguridad de los electrolitos líquidos utilizados en las baterías de iones de litio y otros tipos de baterías, que pueden sobrecalentarse e incendiarse.
Más importante aún, la química de la batería del equipo con el electrolito sólido puede potencialmente aumentar la densidad de energía hasta cuatro veces por encima de las baterías, lo que se traduce en un rango de manejo más largo.
« Durante más de una década, los científicos de Argonne y otros lugares han estado trabajando horas extras para desarrollar una batería de litio que utilice el oxígeno del aire », dijo Larry Curtiss, miembro distinguido de Argonne. « La batería de litio-aire tiene la densidad de energía proyectada más alta de cualquier tecnología de batería que se esté considerando para la próxima generación de baterías más allá de las de iones de litio ».
En diseños anteriores de litio-aire, el litio en un ánodo de metal de litio se mueve a través de un electrolito líquido para combinarse con oxígeno durante la descarga, produciendo peróxido de litio (Li2O2) o superóxido (LiO2) en el cátodo. El peróxido o superóxido de litio se vuelve a descomponer en sus componentes de litio y oxígeno durante la carga. Esta secuencia química almacena y libera energía según la demanda.
El nuevo electrolito sólido del equipo está compuesto por un material de polímero cerámico hecho de elementos relativamente económicos en forma de nanopartículas. Este nuevo sólido permite reacciones químicas que producen óxido de litio (Li2O) en la descarga.
« La reacción química del superóxido o peróxido de litio solo involucra uno o dos electrones almacenados por molécula de oxígeno, mientras que la del óxido de litio involucra cuatro electrones », dijo el químico de Argonne, Rachid Amine. Más electrones almacenados significa una mayor densidad de energía.
El diseño de litio-aire del equipo es la primera batería de litio-aire que ha logrado una reacción de cuatro electrones a temperatura ambiente. También funciona con oxígeno suministrado por el aire del entorno circundante. La capacidad de funcionar con aire evita la necesidad de tanques de oxígeno para operar, un problema con los diseños anteriores.
El equipo empleó muchas técnicas diferentes para establecer que realmente se estaba produciendo una reacción de cuatro electrones. Una técnica clave fue la microscopía electrónica de transmisión (TEM) de los productos de descarga en la superficie del cátodo, que se llevó a cabo en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Las imágenes TEM proporcionaron información valiosa sobre el mecanismo de descarga de cuatro electrones.
Las celdas de prueba de litio-aire anteriores sufrían ciclos de vida muy cortos. El equipo estableció que esta deficiencia no es el caso para su nuevo diseño de batería al construir y operar una celda de prueba durante 1000 ciclos, demostrando su estabilidad durante la carga y descarga repetidas.
« Con un mayor desarrollo, esperamos que nuestro nuevo diseño para la batería de litio-aire también alcance una densidad de energía récord de 1200 vatios-hora por kilogramo », dijo Curtiss. « Eso es casi cuatro veces mejor que las baterías de iones de litio ».
Esta investigación fue publicada en una edición reciente de Science. Los autores de Argonne incluyen a Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson y Khalil Amine. Los autores del IIT incluyen a Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad y Ahmad Mosen Harzandi. Y los autores de la Universidad de Illinois Chicago incluyen a Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan y Anh Ngo.
La investigación fue financiada por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE y la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas a través del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía.