Avenços a la carretera per crear una bateria de liti-oxigen recarregable

Els químics de la Universitat de Waterloo han resolt amb èxit dues de les qüestions més difícils de les bateries de liti-oxigen i, en el procés, van crear una bateria de laboratori i van treballar amb una eficiència culombica propera al 100 per cent.
El nou treball, que va aparèixer a la revista Science, demostra que la conversió de quatre electrons per a l'electroquímica de liti-oxigen és altament reversible. L'equip és el primer en aconseguir la conversió de quatre electrons, que duplica l'emmagatzematge electrònic de bateries de liti-oxigen, també conegudes com a liti-aire.
Hi ha limitacions basades en la termodinàmica. No obstant això, aquest treball ha abordat qüestions fonamentals que altra gent ha estat intentant resoldre durant molt de temps. La gran densitat teòrica d'energia de les bateries de liti-oxigen (Li-O2 ) i el seu pes relativament lleuger, els han convertit en el Sant Grial dels sistemes de bateries recarregables.

Dues de les qüestions més serioses inclouen l'intermediari de la química cel·lular (superòxid, LiO2 ) i el producte peròxid (Li2O2 ), que reacciona amb el càtode de carbó porós, degradant la cèl·lula des de dins. A més, el superòxid consumeix l'electròlit orgànic en el procés, que limita enormement el cicle de vida.
Nazar i els seus col·legues van canviar l'electròlit orgànic, per una sal inorgànica que fos més estable, i el càtode de carbó porós per un catalitzador bifuncional d'òxid de metall. Després, van fer funcionar la bateria a 150 ºC, de manera que van trobar que el producte més estable era Li2O en lloc de Li2O2. Això resulta ser una bateria de Li-oxigen molt reversible amb una eficiència culombica que s'aproxima al 100 per cent.

En emmagatzemar O2 com a òxid de liti (Li2O), en comptes de peròxid de liti (Li2O2 ), la bateria no només va mantenir excel·lents característiques de càrrega elèctrica, sinó que va aconseguir la màxima transferència de quatre electrons en el sistema, augmentant així l'emmagatzematge teòric d'energia en un 50 per cent.
En canviar l'electròlit i l'elèctrode i també, augmentar la temperatura, es va demostrar que el sistema funciona molt bé.

Font: Universitat de Waterloo

La nova bateria de liti-oxigen

Les bateries de liti-aire es consideren tecnologies molt prometedores per aplicar-les a cotxes elèctrics i dispositius electrònics portàtils, a causa del seu potencial per al lliurament d'una alta producció d'energia en proporció al seu pes. Però aquest tipus de bateries tenen alguns inconvenients molt greus: Perden molta de l'energia injectada en forma de calor i es degraden amb relativa rapidesa. També requereixen costosos components addicionals per bombar el gas oxigen dins i fora, per tant, en una configuració de cèl·lula oberta, són molt diferents de les bateries segellades convencionals.

Però una nova variació de la bateria química es podria utilitzar en una bateria convencional, completament segellada, de manera que promet un rendiment teòric similar a les bateries de liti-aire.
El nou concepte de bateria, denominada bateria de càtode nanolithia, s'explica en un article a la revista Nature Energie escrit per Ju Li, professor del MIT juntament amb altres científics.
Una de les deficiències de les bateries de liti-aire, segons explica Li, és la manca de correspondència entre les tensions implicades en la càrrega i descàrrega de les bateries. Els voltatges de sortida de les piles són de més de 1,2 volts menys que la tensió que s'utilitza per carregar-les, el que representa una pèrdua significativa de potència per cada cicle de càrrega.

Romandre sòlida
Les bateries de liti-aire convencionals es basen en l'oxigen de l'aire exterior per conduir una reacció química amb el liti de la bateria durant el cicle de descàrrega, i aquest oxigen s'allibera de nou a l'atmosfera durant la reacció inversa en el cicle de càrrega.

En la nova variant, no és el mateix tipus de reaccions electroquímiques que tenen lloc entre el liti i l'oxigen durant la càrrega i la descàrrega, sinó que tenen lloc sense deixar que l'oxigen torni a una forma gasosa. En lloc d'això, l'oxigen es manté a dins sòlid i es transforma directament entre els seus tres estats redox, mentre està unit en forma de tres compostos diferents sòlids químics, Li2O, Li2O2, i LiO2, que es barregen junts. Això redueix la pèrdua de tensió per un factor de cinc, de 1,2 volts a 0,24 volts, de manera que només el 8 per cent de l'energia elèctrica s'escalfa.
Aquest enfocament ajuda a superar un altre problema que tenen les bateries de liti-aire: A mesura que la reacció química implicada en la càrrega i descàrrega converteix l'oxigen de gas a sòlid, el material passa a través d'enormes canvis de volum que poden interrompre els camins de conducció elèctrica en l'estructura, cosa que limita greument la seva vida útil.
El secret de la nova formulació és la creació de partícules minúscules, en l'escala del nanòmetre (mil milionèsima part d'un metre), que contenen tant el liti i l'oxigen en la forma d'un got, confinat hermèticament dins d'una matriu d'òxid de cobalt. Els investigadors es refereixen a aquestes partícules com a nanolithia. D'aquesta manera, les transicions entre LiO2, Li2O2, i Li2O poden tenir lloc en la seva totalitat dins el material sòlid.

Les partícules de nanolithia serien normalment molt inestables, de manera que els investigadors, les incrusten dins de la matriu d'òxid de cobalt, un material similar a una esponja amb porus de tan sols uns pocs nanòmetres de diàmetre.
La matriu estabilitza les partícules i també actua com un catalitzador per a la seva transformació. Les bateries de liti-aire convencionals, són molt seques, perquè realment no poden absorbir el diòxid de carboni i aigua. No obstant això, la nova bateria, evita aquest problema.

Sense sobrecàrrega
La nova bateria també està inherentment protegida contra la sobrecàrrega, perquè la reacció química en aquest cas està auto-limitada de forma natural de manera que la reacció es desplaça a una forma diferent que impedeix encara més l'activitat. Amb una bateria típica, si es produeix una sobrecàrrega, aquesta pot causar danys estructurals irreversibles o, fins i tot, explotar.

En les proves de ciclying, en una versió de laboratori de la nova bateria, es va sotmetre a 120 cicles de càrrega-descàrrega, i va mostrar una pèrdua de menys del 2% de la seva capacitat, el que indica que aquest tipus de bateries podrien tenir una vida útil llarga. I pel fet que aquest tipus de bateries, es poden instal·lar i operar igual que les bateries de ions de liti sòlids convencionals, sense que cap dels components auxiliars necessaris per a una bateria de liti-aire, podrien adaptar-se fàcilment a les instal·lacions existents o dissenys del paquet de bateries convencionals per a automòbils, productes electrònics o, fins i tot, l'emmagatzematge d'energia a escala de xarxa.
Com que els càtodes d'oxigen sòlid són molt més lleugers que els càtodes de bateries de ions de liti convencionals, el nou disseny podria emmagatzemar el doble de la quantitat d'energia per a un pes donat de càtode. I amb un major refinament del disseny, les noves bateries podrien duplicar aquesta capacitat de nou.
Tot això s'aconsegueix sense afegir components o materials cars. El carbonat utilitzat com electròlit líquid en aquesta bateria "és la forma més barata" d'electròlit. L'òxid de cobalt, és un component que pesa menys del 50 per cent del component nanolithia. En general, el nou sistema de bateria "és molt escalable, barat i molt més segur que les bateries de liti-aire", diu Li.

Font: PHYSorg