Las baterías de litio actuales se basan en la intercalación: los iones de litio se comprimen en los espacios dentro de los materiales de los electrodos, como el grafito. Como resultado, la mayor parte del volumen y volumen de la batería se dedica a cosas que no contribuyen a transportar cargas entre los electrodos, lo que establece un límite en los tipos de densidades de energía que pueden alcanzar estas tecnologías.
Estos límites han dado lugar a muchas investigaciones para encontrar formas de deshacerse de uno de estos materiales de electrodos. La gente ha intentado emparejar electrodos de metal de litio con varios materiales, mientras que otros esfuerzos han intentado usar electrodos en los que el litio reacciona con el aire para formar compuestos de litio y oxígeno. Si bien estos funcionaron según algunas medidas, tendían a tener problemas que acortaban drásticamente su vida útil.
Pero un artículo reciente describe una batería que usa metal de litio en un electrodo y aire de litio para el segundo. Según algunas medidas, la batería tiene un rendimiento decente de más de 1000 ciclos de carga/descarga.
muchos problemas
Los problemas con el litio metálico están bastante bien descritos: es muy difícil lograr que el litio se deposite uniformemente en la superficie del electrodo. Durante ciclos repetidos de carga/descarga, las cosas que comienzan como sutiles irregularidades crecen hasta convertirse en espinas llamadas dendritas que el litio no deja para transportar la carga; eventualmente, las espinas crecen hasta que cortan el sistema. En general, se piensa que la solución son los cambios en los electrolitos por los que viajan los iones de litio cuando se mueven entre los electrodos. Al menos una empresa ha dicho que ha desarrollado un electrolito que permite que las baterías de metal de litio funcionen tanto tiempo como muchas tecnologías actuales.
Los problemas con los electrodos de litio-aire son muy diferentes y extensos. El material de soporte para el electrodo debe ser lo suficientemente poroso para permitir que el aire entre en contacto con el litio y permanezca así durante muchos ciclos. Las reacciones que alberga tienen que evitar reacciones con otros materiales en la atmósfera, como el vapor de agua, que puede atrapar permanentemente litio en el electrodo. Y finalmente, el electrodo tiene que manejar una mezcla potencialmente complicada de óxidos y peróxidos de litio que se pueden formar durante las reacciones con el oxígeno. En muchos casos, estos problemas han sido tan graves que las baterías de litio-aire de prueba han muerto después de unas pocas docenas de ciclos.
No está claro que haya una solución única para estos problemas. Y, a diferencia del contraelectrodo de metal de litio, no está claro que un electrolito diferente contribuya significativamente a la solución.
Así que es algo sorprendente que el electrolito en este nuevo trabajo apareciera para ayudar a controlar las reacciones con el oxígeno. Y también ayudó a mantener viable un electrodo de metal de litio. Pero no fue lo único que sucedió con el nuevo diseño de la batería.
Conductores y catalizadores
Esencialmente, se necesitan dos historias para comprender por qué esta batería parece funcionar. Comenzaremos con el electrodo de litio-aire, que tiene dos componentes. El primer componente es una matriz porosa hecha de un material repelente al agua. Incrustadas en eso hay nanopartículas de un catalizador con el que el grupo de investigación tiene una larga historia, fosfuro de tri-molibdeno (Mo3PAG). Comenzaron a analizar esto en 2019, pensando que podría ser una buena opción para dividir el agua para producir hidrógeno, ya que el molibdeno es relativamente económico. Un año después, consideraron usarlo en baterías de litio-aire, que también requieren reorganizar los enlaces entre los átomos de oxígeno.
En ese momento, Mo3P mostró una resistencia excepcional, permaneciendo viable durante más de 1200 ciclos de carga/descarga. Pero la eficiencia energética no fue tan buena. Para eso, aparentemente, necesitaban un mejor electrolito.
El electrolito con el que trabajaron es un sólido a las temperaturas en las que operarían las baterías. Puede ser difícil imaginar un material sólido que permita que los iones fluyan a través de él, pero se han desarrollado varios sólidos con canales internos lo suficientemente grandes para que los iones pasen. a través de. El interior de estos canales contiene sitios con los que los iones pueden interactuar, lo que permite que los iones realicen saltos cortos de un lugar estable a otro a medida que transitan. Finalmente, la densidad de los canales puede garantizar que los iones recién llegados se distribuyan de manera relativamente uniforme en la superficie de un electrodo, evitando problemas como la formación de dendritas en el litio metálico.
En este caso tiene una ventaja añadida: mantiene el electrodo de litio-aire expuesto al aire. Cuando los investigadores probaron los mismos materiales de electrodo en un electrolito líquido, las reacciones químicas que ocurrieron en el electrodo de litio-aire solo se completaron parcialmente.
La parte sólida del electrolito tiene una base de carbono, pero contiene una gran cantidad de átomos de oxígeno y silicio unidos a la columna vertebral de carbono. Estos átomos polares ayudan a proporcionar a los iones de litio algo con lo que están felices de interactuar. Las nanopartículas actúan como una estación de paso en el viaje entre los electrodos. Están compuestos de Li10GeP2S12, un material con litio y átomos a los que les gusta interactuar con el litio. Esto asegura que el electrolito esté lleno de iones de litio incluso cuando la batería no está en uso, por lo que las cargas pueden fluir en el momento en que la batería se activa.