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El misterio de las baterías de litio-aire: ¿por qué se las considera la futura estrella de los vehículos eléctricos?
A medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos y energía renovable, las baterías de litio-aire (Li-air) se han convertido rápidamente en el foco de la industria debido a su densidad energética teóricamente alta. Las baterías de litio-aire son celdas electroquímicas de metal-aire que generan corriente eléctrica a través de la oxidación del litio en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo. Se dice que la batería, que utiliza litio para reaccionar con el oxígeno del ambiente, tiene el potencial de tener una densidad energética comparable a la de la gasolina en los motores de combustión interna.
En teoría, la densidad energética de las baterías de litio-aire puede alcanzar unos 40,1 MJ/kg, o 11,14 kWh/kg, lo que le confiere un potencial incomparable para su uso en vehículos eléctricos.
Según las investigaciones existentes, la densidad energética real de las baterías de litio-aire también es bastante impresionante, rondando los 6,12 MJ/kg (1,7 kWh/kg). Estos datos superan con creces las actuales baterías de iones de litio comerciales y, en teoría, pueden ayudar a un vehículo eléctrico de hasta 2.000 kg a recorrer unos 500 kilómetros. Sin embargo, para lograr su comercialización, las baterías de litio-aire aún necesitan abordar desafíos importantes como la potencia práctica y el ciclo de vida.
Historia
El concepto de baterías de litio-aire surgió por primera vez en la década de 1970, cuando se las consideró principalmente como una fuente potencial de energía para vehículos eléctricos e híbridos. Sin embargo, los desafíos tecnológicos mantuvieron el concepto latente durante décadas, pero los avances en la ciencia de los materiales llevaron a un resurgimiento del interés en la tecnología en la década de 2000.
Si bien los avances tecnológicos en las baterías de litio-aire han sido impresionantes, desafíos como el tiempo de carga de la batería, la sensibilidad a la humedad y la baja conductividad del material Li2O2 siguen siendo barreras importantes para su comercialización.
Diseño y Operación
Las baterías de litio-aire generalmente constan de un ánodo, un cátodo y un electrolito. Durante la descarga, los iones de litio se mueven entre el ánodo y el cátodo a través del electrolito, y los electrones viajan a través de un circuito externo para realizar trabajo eléctrico. Durante la carga, el metal de litio se deposita en el ánodo y se libera oxígeno en el cátodo.
Ánodo
En comparación con otros materiales metálicos, el metal de litio es la principal opción de ánodo en las baterías de litio-aire. La alta capacidad específica de los ánodos de litio (3.840 mAh/g) cuando las condiciones son buenas es sin duda una de sus ventajas, pero también enfrentan desafíos como las reacciones entre el metal de litio y el electrolito y el riesgo de dendritas de litio, que pueden reducir el rendimiento de la batería. y vida útil.
Actualmente, muchas partes están buscando abordar los impactos negativos de estos litios dendríticos a través de nuevos materiales electrolíticos o un diseño de interfaz mejorado.
Cátodo
La gasificación del cátodo es una de las tecnologías fundamentales de las baterías de litio-aire, y la reacción de reducción de oxígeno es crucial para la eficiencia de la batería. El estudio señaló que los catalizadores metálicos coordinados con carbono mesoporoso pueden mejorar eficazmente la cinética de reducción y el rendimiento de la capacidad específica del cátodo, lo que le permite proporcionar un mejor rendimiento en aplicaciones prácticas. Diversidad de electrolitosActualmente, existen cuatro caminos principales para el diseño de electrolitos de baterías de litio-aire: electrolito ácido acuoso, electrolito alcalino acuoso, electrolito protónico no acuoso y electrolito acuoso. Cada electrolito tiene sus ventajas y desventajas. Por ejemplo, los electrolitos acuosos pueden evitar la obstrucción del cátodo, pero la reacción del metal litio con el agua traerá nuevos riesgos de seguridad.
Perspectivas y desafíos futurosEl diseño de electrolito híbrido acuoso-anacuoso intenta combinar las ventajas de ambos para crear una batería de litio-aire más segura y eficiente.
Además de los problemas técnicos, los desafíos que enfrentan las baterías de litio-aire incluyen la confiabilidad, la economía y la aceptación en el mercado. A medida que la demanda de baterías de mayor densidad energética continúa aumentando, la comunidad de investigación científica y las empresas relacionadas están trabajando arduamente para resolver estos problemas. \
ConclusiónEl potencial teórico y las perspectivas de aplicación práctica de las baterías de litio-aire son atractivas, pero aún es necesario superar muchas barreras técnicas y de mercado para que tengan éxito en el mercado de vehículos eléctricos. Todavía queda tiempo para demostrar si las baterías de litio-aire podrán convertirse en la opción principal para los vehículos eléctricos en el futuro y cómo hacer realidad este ideal.
