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La revolución de las baterías de litio-aire: ¿Por qué los científicos recuperaron el interés después de la década de 2000?
La batería de litio-aire (Li-aire) es una batería electroquímica de metal-aire que utiliza la reacción de oxidación del litio en el ánodo y la reacción de reducción del oxígeno en el cátodo para generar corriente eléctrica. Los científicos han especulado que la combinación de litio con oxígeno ambiental podría, teóricamente, conducir a una celda electroquímica con la mayor energía específica posible. Según las investigaciones, teóricamente, las baterías de litio-aire anhidras pueden alcanzar una energía específica de aproximadamente 40,1 MJ/kg cuando están cargadas (con Li2O2 como producto y excluyendo la masa de oxígeno), que es comparable a la energía específica teórica de la gasolina, que es de aproximadamente 46,8 MJ/kg. Muy cerca.
Aunque el rendimiento de las baterías de litio-aire actuales aún no ha alcanzado el nivel teórico, su energía específica potencial es aproximadamente cinco veces mayor que la de las baterías de iones de litio comerciales y pueden alcanzar una autonomía de conducción de unos 500 kilómetros, lo que ha vuelto a atraer la atención. de la comunidad científica. Esta tecnología.
Históricamente, el concepto de baterías de litio-aire se propuso ya en la década de 1970, inicialmente como fuente de energía para vehículos eléctricos e híbridos. Pero en aquel momento se consideró que el concepto tenía riesgos desproporcionados en relación con los beneficios, debido a los desafíos técnicos que enfrentaban las baterías, incluidos el tiempo de carga inversa, la sensibilidad al nitrógeno y al agua y la mala conductividad interna. Como resultado, la investigación sobre baterías de litio-aire avanzó lentamente hasta finales de la década de 2000, cuando el campo recuperó el interés debido a los avances en la ciencia de los materiales.
Diseño y mecanismo de funcionamiento
El principio básico de funcionamiento de las baterías de litio-aire es que los iones de litio se mueven entre el ánodo y el cátodo en un electrolito. Durante la descarga de la batería, los electrones se convierten en energía eléctrica a través de un circuito externo, mientras que los iones de litio se mueven hacia el cátodo. Durante la carga, el metal de litio se deposita en el ánodo y se libera oxígeno en el cátodo.
Desafíos del cátodo y el ánodo
En el diseño de baterías de litio-aire, normalmente se utiliza litio metálico como ánodo. El litio libera electrones en el ánodo, pero esto también hace que el ánodo se enfrente a múltiples desafíos, como la reacción con el electrolito, la deposición dendrítica de litio y los cambios químicos en la interfaz del electrolito. Estos desafíos pueden resultar en una reducción de la capacidad energética o crear un riesgo de cortocircuitos.
En el lado del cátodo, la reacción de reducción de oxígeno también enfrenta los problemas de acumulación excesiva de producto y baja eficiencia del catalizador, lo que afecta en gran medida el rendimiento esencial de las baterías de litio-aire.
Innovación en electrolitos
Para abordar los desafíos técnicos mencionados anteriormente, los investigadores comenzaron a explorar una variedad de diseños de electrolitos, incluidos electrolitos acuosos ácidos, alcalinos y anacuosos. Cada enfoque electrolítico tiene sus propias ventajas y desventajas específicas, pero todos tienen margen para mejoras adicionales.
Comercialización y perspectivas futurasAunque el rendimiento de las baterías de litio-aire en el laboratorio es alentador, aún quedan muchas dificultades por superar en el camino hacia la comercialización. Por ejemplo, es necesario abordar cuestiones como la estabilidad a largo plazo y el ciclo de vida. La demanda de baterías por parte de la industria automotriz, especialmente de baterías de alta densidad energética, sigue siendo la principal fuerza impulsora para el desarrollo de baterías de litio-aire.
Dadas las presiones duales de la demanda de electricidad y los problemas ambientales, los científicos nunca detendrán sus investigaciones. ¿Podrán encontrar una solución innovadora en el futuro que conduzca a la comercialización de la tecnología de baterías de litio-aire?
En el futuro, las baterías de litio-aire tienen el potencial de convertirse en la opción principal para impulsar vehículos eléctricos. Esto no se debe sólo a que su alta densidad energética puede aumentar significativamente la autonomía, sino también a que pueden hacer que el almacenamiento de energía renovable sea más eficiente. Sin embargo, las limitaciones actuales de la tecnología requieren que los investigadores sigan trabajando duro y explorando caminos más innovadores. ¿Llegará el día en que las baterías de litio-aire realmente cambien la forma en que viajamos en vehículos eléctricos?
