Nuevo diseño para el litio

Nuevas baterías algún día podrían alimentar automóviles, aviones y camiones

DOE/Laboratorio Nacional Argonne

Imagen: El esquema muestra una celda de batería de litio-aire que consta de un ánodo de metal de litio, un cátodo a base de aire y un electrolito de polímero cerámico sólido (CPE). Durante la descarga y la carga, los iones de litio (Li+) pasan del ánodo al cátodo y luego regresan.ver más

Crédito: (Imagen del Laboratorio Nacional Argonne).

Muchos propietarios de coches eléctricos han deseado un paquete de baterías que pudiera alimentar su vehículo durante más de mil millas con una sola carga. Investigadores del Instituto de Tecnología de Illinois (IIT) y del 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 alimentar aviones nacionales y camiones de larga distancia.

El principal componente nuevo de esta batería de litio-aire es un electrolito sólido en lugar del habitual tipo líquido. 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, que pueden sobrecalentarse e incendiarse.

"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". — Larry Curtiss, miembro distinguido de Argonne

Más importante aún, el equipoLa química de la batería con el electrolito sólido puede potencialmente aumentar la densidad de energía hasta cuatro veces más que las baterías">baterías de iones de litio, lo que se traduce en una mayor autonomía.

"Durante más de una década, los científicos de Argonne y de 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 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. Luego, el peróxido o superóxido de litio se descompone en sus componentes de litio y oxígeno durante la carga. Esta secuencia química almacena y libera energía según sea necesario.

El nuevo electrolito sólido del equipo está compuesto de un material polimérico cerámico elaborado a partir de elementos relativamente económicos en forma de nanopartículas. Este nuevo sólido permite reacciones químicas que producen óxido de litio (Li2O) al descargarse.

"La reacción química del superóxido o peróxido de litio sólo implica uno o dos electrones almacenados por molécula de oxígeno, mientras que la del óxido de litio implica cuatro electrones", dijo el químico de Argonne, Rachid Amine. Más electrones almacenados significa 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. La capacidad de funcionar con aire evita la necesidad de utilizar tanques de oxígeno, un problema que existía en diseños anteriores.

El equipo empleó muchas técnicas diferentes para establecer que realmente estaba teniendo lugar 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 tenían ciclos de vida muy cortos. El equipo estableció que esta deficiencia no es el caso de su nuevo diseño de batería al construir y operar una celda de prueba durante 1000 ciclos, demostrando su estabilidad ante cargas y descargas 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. "Esto 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 en 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.

Acerca del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne El Centro de Materiales a Nanoescala es uno de los cinco Centros de Investigación Científica a Nanoescala del DOE, principales instalaciones nacionales para usuarios de investigación interdisciplinaria a nanoescala respaldadas por la Oficina de Ciencias del DOE. Juntos, los NSRC comprenden un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de última generación para fabricar, procesar, caracterizar y modelar materiales a nanoescala, y constituyen la mayor inversión en infraestructura de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. Los NSRC están ubicados en los Laboratorios Nacionales Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos del DOE. Para obtener más información sobre los NSRC del DOE, visite https://​sci​ence​.osti​.gov/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​ i​e​s​/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​i​e​s​-​a​t​-​a​-​ Mirada.

El Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR) , un Centro de Innovación Energética del DOE, es una asociación importante que integra investigadores de muchas disciplinas para superar barreras científicas y técnicas críticas y crear una nueva tecnología innovadora de almacenamiento de energía. Dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., los socios incluyen líderes nacionales en ciencia e ingeniería del mundo académico, el sector privado y laboratorios nacionales. Su experiencia combinada abarca toda la gama de procesos de desarrollo tecnológico, desde la investigación básica hasta el desarrollo de prototipos, la ingeniería de productos y la entrega al mercado.

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