El Slog Continúa para Baterías de Litio-Aire

Un nuevo cátodo podría mejorar la vida útil de la batería, pero las baterías de litio-aire aún duran aproximadamente dos meses

Para los propietarios de vehículos eléctricos, la ansiedad de autonomía, el miedo a quedarse sin energía antes de la próxima estación de carga, es real. Los fabricantes de automóviles, deseosos de llevar los vehículos eléctricos al mercado de masas, han buscado durante años alternativas que pudieran almacenar más carga que las baterías de iones de litio de hoy en día.

Una opción es el litio-aire, y un equipo de investigadores ha inventado un nuevo tipo de cátodo que, según afirman, puede alargar la vida útil de dichas baterías. En un estudio publicado en Applied Catalysis B: Ambiental, el equipo de Corea del Sur y Tailandia describe cómo recubrieron nanoflakes de sulfuro de níquel cobalto en un cátodo de grafeno dopado con azufre. El resultado: un electrodo que cuenta con conductividad eléctrica mejorada y actividad catalítica.

» Es un enfoque de diseño muy interesante», dice Harry Hoster, director de Energy Lancaster, un instituto de investigación con sede en el Reino Unido dedicado a las tecnologías energéticas.

Las baterías generalmente generan energía eléctrica a través de una reacción redox. En el caso de las baterías de litio-aire, el litio del ánodo se oxida mientras que las moléculas de oxígeno se reducen en el cátodo. El producto resultante es peróxido de litio (Li2O2).

El cátodo es supuestamente donde ocurre la magia. Debido a que el oxígeno se puede suministrar continuamente desde el aire en lugar de almacenarse en cantidades finitas dentro de la celda, las baterías de litio-aire pueden proporcionar teóricamente una densidad de energía 10 veces mayor que la de sus primos de iones de litio. Y cuanto más peróxido de litio se acumule en el cátodo de grafito, mayor será la capacidad de carga de la batería.

Modificar el cátodo de carbono con azufre facilita que el peróxido de litio se adhiera a él, dice Hoster. «Los átomos de azufre proporcionan puntos de pegamento locales, puntos de anclaje para que las cosas se adhieran», dice.

El azufre también proporciona beneficios adicionales a la batería, dice el químico físico Sangaraju Shanmugam del Instituto de Ciencia y Tecnología Daegu Gyeongbuk de Corea, y uno de los coautores del artículo. Debido a que los átomos de azufre son mucho más grandes en tamaño en comparación con sus contrapartes de carbono, el dopaje de azufre del cátodo expande la estructura de la red de carbono poroso, aumentando su área de superficie. «Cuando esto sucede, los electrones pueden moverse mejor dentro del grafeno y, por lo tanto, la conductividad eléctrica mejora», dice Shanmugam.

El recubrimiento de la superficie del cátodo con nanoflakes de sulfuro de níquel y cobalto proporciona un impulso adicional al aumentar la actividad catalítica. «El azufre interactúa con los sitios metálicos en el sulfuro de níquel cobalto, y hay una fuerte interacción sinérgica entre la superficie del grafeno y los nanoflakes», explica Shanmugam.

Los copos también forman una capa protectora entre la superficie del cátodo y el producto de descarga de peróxido de litio resultante, que es altamente corrosivo. El resultado es una ciclabilidad de la batería mucho mejor, algo más de 1.700 horas, o más de dos meses, que Shanmugam dice que es «uno de los puntos más fuertes» de su invención. La capacidad de descarga específica también es» ultra alta » a casi 14,200 miliamperios hora por gramo (mAh/g). En Corea está pendiente una patente para la nueva tecnología.

«Los materiales que han propuesto son muy, muy interesantes…y parece que son los primeros en llevar esto a la comunidad», dice Lancaster Hoster. Pero es cauteloso sobre lo optimistas que son realmente los resultados.

El sistema debe probarse de forma más robusta, dice. Para medir correctamente la actividad electrocatalítica, los investigadores deberían haber realizado un voltammograma cíclico (un tipo de prueba en el que se aplica un voltaje externo y se varía para ver cómo cambia la corriente de la batería de manera correspondiente) a velocidades altas, en lugar de bajas. Además, el experimento de descarga que realizaron es demasiado superficial (se detiene a una capacidad específica de 1,000 mAh/g) para ser considerado una prueba de esfuerzo adecuada, porque «no se producen muchos de los productos secundarios que causan que la batería se desvanezca a largo plazo», dice Hoster.

También destaca la baja eficiencia de carga de la batería, que es una medida de cuánta energía obtienes en comparación con la energía que pones en la carga. La pérdida de energía puede producirse debido a la producción de calor o a reacciones laterales no deseadas que tienen lugar en los electrodos. En aproximadamente el 65 por ciento, es de 15 a 25 por ciento más bajo de lo que esperaríamos de las baterías de iones de litio. Esta es una de una serie de preocupaciones que continúan plagando el uso de baterías de litio-aire. Otros incluyen qué hacer con el subproducto químicamente agresivo de peróxido de litio que se forma, que requiere un alto voltaje de carga para eliminarlo, puede descomponer el electrolito y, posteriormente, limitar la vida útil de una batería.

El ánodo de litio puro también plantea un problema. Altamente reactivo, el litio puede inflamarse cuando se expone al agua y a otros elementos. Luego está el tema del aire. Si bien el suministro de oxígeno a las baterías funciona bien en un laboratorio, no es factible para los vehículos eléctricos que circulan por las carreteras. El objetivo es utilizar aire, pero primero tendría que eliminar las impurezas que dañan la batería, como el dióxido de carbono y el vapor de agua.

Estos desafíos de desarrollo han amortiguado el entusiasmo por las baterías de litio-aire en los últimos años, con compañías como IBM y el Centro Conjunto de Investigación de Almacenamiento de Energía financiado por los Estados Unidos que abandonaron su investigación en favor de otros tipos de baterías de próxima generación. Incluso la Institución Faraday, un Reino Unido. institución que ha invertido £65 millones en la investigación de baterías, decidió invertir en baterías de litio-azufre en lugar de baterías de litio-aire en su última ronda de financiación porque pensaron que la primera era «también riesgosa pero más realista», dice Hoster.

«Ha sido una realidad aleccionadora…la batería de litio-oxígeno es un poco como lo que es la fusión nuclear en las grandes tecnologías», dice. «Hay grandes victorias potenciales, pero hay muchos cabos sueltos.»

Sin embargo, debido a que las baterías de litio-aire tienen una densidad de energía que es potencialmente 10 veces mayor que la de las baterías de iones de litio tradicionales, «todavía hay un gran juego por jugar», dice Hoster. «Pero hay que gestionar las expectativas.»