Una batería de litio y aire: el invento que promete revolucionar un mercado clave para Chile

Una nueva batería de litio-aire desarrollada en EEUU puede hacer realidad recorrer más de mil kilómetros con una sola carga y alimentar algún día aviones domésticos y camiones de largo recorrido.

El principal componente de esta batería es un electrolito sólido en lugar del líquido habitual. 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 de baterías, que pueden recalentarse e incendiarse.

Y lo que es más importante, destaca la investigación publicada en Science, la química de la batería del equipo con el electrolito sólido puede aumentar la densidad energética hasta cuatro veces por encima de las 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 aproveche el oxígeno del aire”, dijo en un comunicado Larry Curtiss, científico del Argonne National Laboratory del Departamento de Energía de la administración estadounidense, que participó en la investigación. “La batería de litio-aire tiene la mayor densidad energética prevista de todas las tecnologías de baterías que se están considerando para la próxima generación de baterías más allá del litio-ion”.

La innovación en el litio

En los diseños anteriores de estas baterías, el litio en un ánodo de metal de litio se mueve a través de un electrolito líquido para combinarse con el oxígeno durante la descarga, produciendo peróxido de litio (Li2O2) o superóxido (LiO2) en el cátodo. El peróxido o superóxido de litio se descompone en sus componentes durante la carga. Esta secuencia química almacena y libera energía a demanda.

El nuevo electrolito sólido del equipo está compuesto por un material polimérico cerámico fabricado con elementos relativamente baratos 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”, explica el químico de Argonne Rachid Amine. Más electrones almacenados significa mayor densidad energética”.

El diseño del equipo es la primera batería de esta clase que ha conseguido una reacción de cuatro electrones a temperatura ambiente. Además, funciona con oxígeno suministrado por el aire del entorno. La capacidad de funcionar con aire evita la necesidad de tanques de oxígeno para funcionar, un problema de los diseños anteriores.

El equipo empleó muchas técnicas diferentes para establecer que realmente se estaba produciendo una reacción de cuatro electrones. Una técnica clave fue la microscopía electrónica de transmisión (TEM) de los productos de la descarga en la superficie del cátodo, que se llevó a cabo en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne. Las imágenes TEM proporcionaron información valiosa sobre el mecanismo de descarga de cuatro electrones.

Las anteriores pilas de prueba que usaban estos componentes tenían ciclos de vida muy cortos. El equipo ha demostrado que su nuevo diseño de batería no tiene este inconveniente construyendo y haciendo funcionar una célula de prueba durante 1.000 ciclos, lo que demuestra su estabilidad en cargas y descargas repetidas.

“Con un mayor desarrollo, esperamos que nuestro nuevo diseño de batería alcance también una densidad energética récord de 1.200 vatios-hora por kilogramo”, afirma Curtiss. “Eso es casi cuatro veces mejor que las baterías de iones de litio”.