No más pruebas y errores al elegir un electrolito para baterías de metal-aire
Las baterías de metal-aire han sido perseguidas como sucesoras de las baterías de iones de litio debido a su excepcional densidad de energía gravimétrica. Podrían permitir potencialmente que los coches eléctricos viajen mil millas o más con una sola carga.
Este gráfico muestra las correlaciones entre tres parámetros que conducen a un único descriptor que proporciona una base racional para diseñar composiciones electrolíticas para baterías alcalinas de metal-oxígeno de alta potencia, incluidas las baterías de potasio-aire. Esta investigación de la Escuela de Ingeniería McKelvey ayudará a los ingenieros a encontrar el electrolito adecuado para baterías nuevas y mejoradas, incluyendo las baterías de potasio-aire.
Ramani lab
Un nuevo miembro prometedor de la familia de baterías de álcali-metal-aire es la batería de potasio-aire, que tiene más de tres veces la densidad de energía gravimétrica teórica de las baterías de iones de litio. Un desafío clave en el diseño de las baterías de potasio-aire es elegir el electrolito adecuado, el líquido que facilita la transferencia de iones entre el cátodo y el ánodo.
Típicamente, los electrolitos se eligen utilizando un enfoque de prueba y error basado en reglas generales que correlacionan varias propiedades de los electrolitos, seguidas de pruebas exhaustivas (y que consumen mucho tiempo) de varios electrolitos candidatos para ver si se logra el rendimiento deseado.
Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, liderados por Vijay Ramani, el Profesor Distinguido de Medio Ambiente y Energía Raymond H. Wittcoff de la Escuela de Ingeniería McKelvey, han demostrado ahora cómo los electrolitos para baterías de aire alcalinas-metálicas pueden elegirse utilizando un parámetro único y fácil de medir.
El equipo de Ramani estudió las interacciones fundamentales entre la sal y el solvente en el electrolito y mostró cómo estas interacciones pueden influir en el rendimiento general de la batería. Desarrollaron un nuevo parámetro, el Módulo de Thiele "Electroquímico", una medida de la facilidad de transporte de iones y de reacción en la superficie de un electrodo.
Esta investigación documenta la primera vez que la teoría de transferencia de electrones de Marcus-Hush, ganadora del Premio Nobel, se ha utilizado para estudiar el impacto de la composición de los electrolitos en el movimiento de los iones a través del electrolito, y su reacción en la superficie del electrodo.
Se demostró que este módulo de Thiele disminuye exponencialmente con el aumento de la energía de reorganización de disolventes, una medida de la energía necesaria para modificar la esfera de disolución de una especie disuelta. Así, la energía de reorganización de los disolventes podría utilizarse para seleccionar racionalmente electrolitos para baterías de metal-aire de alto rendimiento. No más juicios y errores.
"Comenzamos tratando de comprender mejor la influencia del electrolito en la reacción de reducción de oxígeno en los sistemas de baterías de metal-aire", dijo Shrihari Sankarasubramanian, científico investigador del equipo de Ramani y autor principal del estudio.
"Terminamos mostrando cómo la difusión de iones en el electrolito y la reacción de estos iones en la superficie del electrodo están correlacionados con la energía necesaria para romper la capa de disolución alrededor de los iones disueltos."
"Mostrar cómo un único parámetro descriptor de la energía de disolución se correlaciona tanto con el transporte de iones como con la cinética de reacción de superficie es un gran avance", dijo Ramani. "Nos permitirá desarrollar racionalmente nuevos electrolitos de alto rendimiento para baterías de metal-aire."
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