Nuevo concepto de pilas de litio-aire
Un proyecto de investigación en Alemania pretende mejorar la estabilidad de este novedoso tipo de batería
Las baterías de litio-aire, también conocidas como baterías de litio-oxígeno, son candidatas a convertirse en la próxima generación de dispositivos de almacenamiento de electricidad de alta energía. Su capacidad teórica de almacenamiento de energía es diez veces superior a la de las baterías convencionales de iones de litio del mismo peso, pero aún no son químicamente lo bastante estables para ofrecer una solución fiable. Ahora, un proyecto de investigación en colaboración recién iniciado en el que participa un equipo de la Universidad de Oldenburg (Alemania) dirigido por el químico profesor Dr. Gunther Wittstock ensaya un nuevo concepto para prolongar la vida útil de estas pilas.
Una célula de batería de litio-aire delante de un banco de pruebas.
Fraunhofer IFAM
El proyecto, titulado "Materiales y componentes alternativos para baterías apróticas de litio-oxígeno: química y estabilidad de los componentes inactivos - AMaLiS 2.0", está dirigido por IOLITEC Ionic Liquids Technologies, empresa con sede en Heilbronn (Alemania). También participan el Centro de Investigación de Baterías MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) de la Universidad de Münster y el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM de Bremen. El proyecto recibirá unos 1,1 millones de euros de financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación durante un periodo de tres años.
Las pilas de litio-aire funcionan básicamente igual que las pilas convencionales, pero en este tipo de pilas se aprovecha la reacción de los iones de litio con el oxígeno del aire en el electrodo positivo para generar electricidad. La gran ventaja es que las baterías de litio-aire pueden almacenar casi tanta energía por kilogramo como los combustibles fósiles. Esto significa que tienen una energía específica similar a la de las baterías actuales, pero pesan mucho menos, lo que las hace atractivas para su uso en coches eléctricos, así como en el almacenamiento estacionario de energía. "Sin embargo, antes de llegar tan lejos todavía hay que resolver una serie de problemas técnicos", subraya Wittstock. Uno de estos retos es la falta de electrolitos que sean químicamente estables tanto en el electrodo positivo como en el negativo. Estos fluidos o sólidos conductores se encuentran en la zona entre los dos electrodos.
El oxígeno del aire se reduce en las baterías de litio-aire
En las baterías de litio-aire, uno de los electrodos es de litio metálico, mientras que el otro -llamado electrodo de difusión de gas- está formado por una red porosa y un material conductor donde el oxígeno (O2) del aire se reduce en una reacción de oxidación-reducción. Cuando la batería se descarga, los iones de litio cargados positivamente se desplazan a través del electrolito desde un electrodo hasta el electrodo de difusión de gas, donde se combinan con el oxígeno y los electrones de un circuito eléctrico externo para formar óxido de litio. Esto genera una corriente eléctrica que puede utilizarse para proporcionar energía a dispositivos eléctricos. Durante la carga, el litio y el oxígeno vuelven a separarse y los iones y electrones viajan en dirección opuesta.
Para aumentar la estabilidad de la batería de litio-aire, el equipo del proyecto pretende diseñar una membrana que separe el electrodo positivo del negativo, permitiendo así utilizar distintos electrolitos a ambos lados. "Esto ampliaría considerablemente las opciones de electrolitos", afirma el Dr. Thomas Schubert, coordinador del proyecto en IOLITEC. Los científicos tienen previsto probar un separador con un recubrimiento especial en cada cara que proteja tanto el electrodo de litio como el de difusión de gas.
El equipo de Oldenburg dirigido por Wittstock está utilizando diversos métodos, como la espectroscopia de superficie y la microscopia electroquímica de barrido (SECM), para investigar los procesos en las superficies del separador y los electrodos. IOLITEC está desarrollando la capa separadora junto con un equipo del Centro de Investigación de Baterías MEET de la Universidad de Münster dirigido por Verena Küpers. "Estamos probando distintos revestimientos adaptados específicamente a los retos que plantea cada tipo de electrodo", explica Küpers.
El equipo MEET también realiza mediciones de prueba. En el Fraunhofer IFAM, un equipo dirigido por la Dra. Daniela Fenske está desarrollando un nuevo tipo de electrodo de difusión de gas fabricado con carburo de titanio nanoestructurado. "Se combinará con una membrana especial que impide la entrada en la célula de componentes parásitos del aire como el dióxido de carbono o el vapor de agua", explica Fenske. El objetivo final de los investigadores es desarrollar un prototipo que demuestre que es posible conseguir un sistema estable y recargable. Para ello, está prevista la construcción de una célula plana con una superficie de 25 centímetros cuadrados.
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