Esta serie de fotografías muestra la reacción química que se produce durante la carga de una batería de oxígeno de litio utilizando yoduro de litio como un aditivo.
Estudio explica los resultados contradictorios de otros experimentos, puede conducir a las baterías con más energía por libra.
Los investigadores de la batería coinciden en que una de las posibilidades más prometedoras para la futura tecnología de baterías es la batería de litio-aire (o litio-oxígeno), que podría proporcionar tres veces más energía para un peso determinado que la tecnología actual, las baterías de iones de litio. Pero las pruebas de diversos enfoques para crear tales baterías han producido resultados contradictorios y confusos, así como controversias sobre cómo explicarlos.
Ahora, un equipo del MIT ha llevado a cabo pruebas detalladas que parecen resolver las cuestiones relativas a un material prometedor para estas baterías: un compuesto llamado ioduro de litio (LiI). El compuesto fue visto como una posible solución a algunos de los problemas de la batería de litio-aire, incluyendo una incapacidad para sostener muchos ciclos de carga-descarga, pero hallazgos contradictorios habían planteado preguntas sobre la utilidad del material para esta tarea. El nuevo estudio explica estas discrepancias, y aunque sugiere que el material podría no ser adecuado después de todo, el trabajo proporciona orientación para los esfuerzos para superar los inconvenientes de LiI o encontrar materiales alternativos.
Los nuevos resultados aparecen en la revista Energy and Environmental Science , en un artículo de Yang Shao-Horn, WM Keck, profesor de energía del MIT; Paula Hammond, la David H. Koch Profesor de Ingeniería y jefe del Departamento de Ingeniería Química; Michal Tulodziecki, un postdocto reciente del MIT en el Laboraotory de la investigación de la electrónica; Graham Leverick, estudiante de posgrado del MIT; Yu Katayama, estudiante visitante; Y otros tres.
La promesa de la batería de litio-aire proviene del hecho de que uno de los dos electrodos, que generalmente están hechos de metal o óxidos metálicos, es reemplazado con aire que fluye dentro y fuera de la batería; Una sustancia sin peso se sustituye así por uno de los componentes pesados. El otro electrodo en tales baterías sería litio metálico puro, un elemento ligero.
Pero esa promesa teórica se ha limitado en la práctica debido a tres cuestiones: la necesidad de altos voltajes para la carga, una baja eficiencia con respecto a la recuperación de la cantidad de energía puesta y la vida útil del ciclo, que resultan de la inestabilidad del oxígeno de la batería electrodo. Los investigadores han propuesto la adición de yoduro de litio en el electrolito como una forma de abordar estos problemas. Sin embargo, los resultados publicados han sido contradictorios, con algunos estudios encontrando que el LiI mejora la vida en bicicleta “, mientras que otros muestran que la presencia de LiI conduce a reacciones irreversibles y un ciclo de batería pobre”, dice Shao-Horn.
Anteriormente, “la mayor parte de la investigación se centró en los productos orgánicos” para hacer baterías de litio-aire factibles, dice Michal Tulodziecki, autor principal del documento. Pero la mayoría de estos compuestos orgánicos no son estables, dice, “y es por eso que ha habido un gran énfasis en ioduro de litio [un material inorgánico], que algunos papeles dicen ayuda a las baterías a alcanzar miles de ciclos. Pero otros dicen que no, dañará la batería “. En este nuevo estudio, dice,” exploramos en detalle cómo el yoduro de litio afecta el proceso, con y sin agua “, una comparación que resultó ser significativa.
El equipo examinó el papel de LiI en la descarga de la batería de litio-aire, utilizando un enfoque diferente de la mayoría de los otros estudios. Un conjunto de estudios se llevó a cabo con los componentes fuera de la batería, lo que permitió a los investigadores a cero en una parte de la reacción, mientras que el otro estudio se realizó en la batería, para ayudar a explicar el proceso global.
A continuación, utilizaron la espectroscopia de luz ultravioleta y visible y otras técnicas para estudiar las reacciones que tuvieron lugar. Ambos procesos promover la producción de diferente compuesto de litio tal como LiOH (hidróxido de litio) en presencia de tanto LiI y agua, en lugar de Li2O 2 (peróxido de litio). LiI puede aumentar la reactividad del agua y hacerla perder los protones más fácilmente, lo que promueve la formación de LiOH en estas baterías e interfiere con el proceso de carga. Estas observaciones muestran que encontrar formas de suprimir estas reacciones podría hacer que compuestos como LiI funcionen mejor.
Este estudio podría señalar el camino hacia la selección de un compuesto diferente en lugar de LiI para realizar su función prevista de suprimir las reacciones químicas no deseadas en la superficie del electrodo, dice Leverick, agregando que este trabajo demuestra la importancia de “mirar el mecanismo detallado cuidadosamente”.
Shao-Horn dice que los nuevos hallazgos “ayudan a llegar al fondo de esta controversia existente sobre el papel de LiI en el alta. Creemos que esto aclara y reúne todos estos diferentes puntos de vista “.
Pero este trabajo es sólo un paso en un largo proceso de intentar hacer que la tecnología de litio-aire sea práctica, dicen los investigadores. “Hay mucho que entender”, dice Leverick, “así que no hay un artículo que va a resolverlo. Pero haremos un progreso constante “.
“Las baterías de litio-oxígeno que funcionan con oxígeno y iones de litio son de gran interés, ya que podrían permitir que los vehículos eléctricos de mucho mayor alcance. Sin embargo, uno de los problemas es que aún no son muy eficientes “, dice Larry Curtiss, distinguido compañero del Laboratorio Nacional de Argonne, que no participó en este trabajo. Simple sal, yoduro de litio, se puede utilizar potencialmente para hacer que estas baterías funcionan mucho más eficientemente. Ellos han proporcionado una nueva visión de cómo el yoduro de litio actúa para ayudar a romper el producto de descarga sólida, lo que ayudará a permitir el desarrollo de estos avanzados sistemas de baterías.
Curtiss añade que “todavía hay obstáculos significativos que aún quedan por superar antes de que estas baterías se conviertan en una realidad, como conseguir una vida útil del ciclo suficientemente larga, pero esta es una importante contribución al campo”.
El equipo también incluyó a los graduados recientes del MIT Chibueze Amanchukwu PhD ’17 y David Kwabi PhD ’16, y Fanny Bardé de Toyota Motor Europe. El trabajo fue apoyado por Toyota Motor Europe y el Centro Skoltech para Almacenamiento de Energía Electroquímica, y utilizó instalaciones apoyadas por la National Science Foundation.
Fuente: MIT