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Las baterías suministran electrones al experimentar químicos reversibles reacciones Eso ha significado que todos los reactivos tienen que estar adentro la batería, lo que aumenta su peso y volumen. Litio-aire Las baterías podrían cambiar esa situación. De acuerdo electrodo, tienen metal de litio puro en lugar de un Producto químico que contiene litio. En el otro, el litio reacciona con oxígeno en el aire Cuando la batería está cargada, esta reacción es invertido, y el oxígeno se devuelve a nuestra atmósfera.
Con muchos menos químicos permanentemente dentro de la batería, es posible lograr una densidad de energía mucho mayor: ha habido demostraciones de baterías de litio-aire con una densidad de energía de cinco veces la de la tecnología actual de iones de litio. El único inconveniente? Ellos tienen una vida útil de aproximadamente un mes, en parte porque tanto el oxígeno como el litio metálico es bastante reactivo y en parte porque el aire ofrece muchas otras cosas además del oxígeno que pueden reaccionar.
Ahora, un equipo de investigadores ha descubierto una forma de proteger contra muchas de estas reacciones y demostró que el resultado la batería puede sobrevivir cientos de ciclos de carga / descarga en un Atmósfera de aire. Lo que probablemente significa que los investigadores están listos para descubrir qué sale mal cuando este material se encuentra con el aire real. La esperanza es que será un problema más fácil de resolver.
Reacciones secundarias
El trabajo fue realizado por una colaboración estadounidense entre académicos. y Argonne National Lab. El foco estaba en bloquear lo que se llama reacciones secundarias o reacciones químicas que no contribuyen a la funcionamiento de la batería y / o destruir algunos de sus componentes. Estos pueden afectar los electrodos, el litio que lleva carga, y el electrolito que permite que el litio transite entre electrodos Para complicar aún más las cosas, el aire contiene una variedad de químicos (nitrógeno, oxígeno, agua y más) que pueden potencialmente participar en estas reacciones secundarias.
Para limitarlos, los investigadores usaron una combinación de computadora simulaciones (usando teoría funcional de densidad) y construcción real hardware. Para simplificar las cosas, probaron el hardware bajo un atmósfera similar al aire, con porcentajes realistas de oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y agua, pero sin más complicaciones potenciales
El diseño de la batería que usaron tenía un ánodo de litio y metal. A proteger eso, los investigadores lo recubrieron con carbonato de litio, lo cual fue extremadamente fácil de hacer: simplemente corrieron algunos ciclos de carga / descarga bajo una atmósfera de dióxido de carbono puro. Esto formó una densa malla de cristales en la superficie del litio, y las simulaciones mostraron que estos cristales eran suficientes para bloquea el tránsito de oxígeno, dióxido de carbono y nitrógeno. Consiguiendo estas moléculas a través de esa barrera son caras en energía, lo que asegura que no se produzcan reacciones en el ánodo. Reacciones con El agua también es energéticamente desfavorable. Como resultado, ciclar el la batería a través de un ciclo de carga / descarga devolvió el 99.97 por ciento de el litio al ánodo, donde comenzó.
Para el electrolito, los investigadores utilizaron una mezcla de productos orgánicos. químicos que habían sido demostrados en trabajos anteriores (1-etil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato mezclado con dimetil sulfóxido). Esto resultó para proporcionar una gran contribución a la estabilidad de la batería al dispersar cualquier molécula de gas o agua que terminó disuelto en ella. La mayoría de las reacciones con la batería. los componentes requerían dos o más moléculas de agua o carbono dióxido, pero las simulaciones indicaron que el electrolito aseguraba que solo las moléculas individuales estaban típicamente disponibles en cualquier superficies
Esperando aire
Finalmente, los investigadores hicieron su cátodo de molibdeno disulfuro Este material forma una superficie compatible con el producto de la reacción de litio-oxígeno, Li2O2, lo que le permite formar una película delgada sobre El cátodo. Esta película es inerte en presencia de agua y carbono. dióxido, previniendo reacciones no deseadas. Incluso cuando esta película es disociado en el electrolito, no reacciona eficientemente con El agua se dispersó allí.
La batería resultante mostró un comportamiento estable durante cientos de ciclos: los autores probaron uno a 700 ciclos sin falla, aunque la brecha potencial aumentó gradualmente de 1.3V a 1.6V. Concluyen que “el ánodo de litio protegido, la mezcla de electrolitos, y el cátodo de aire de alto rendimiento todos trabajan en sinergia para proporcionar un batería de litio-oxígeno con una larga vida útil bajo aire simulado condiciones “.
Ese último bit, las “condiciones de aire simuladas”, es una especie de crítico. No hay razón para que los investigadores no tengan probó esta batería usando aire real y no hay razón para que no lo hagan han informado los resultados si lo hubiera hecho bien. La falta de estos los resultados en el documento sugieren que podría no haber funcionado tan bien cuando se presenta con aire real. Pero este trabajo ha resuelto claramente Algunos de los problemas más grandes y obvios con litio-aire baterías Hay una buena posibilidad de que cualquier problema restante sea comparativamente menor.
Nature, 2017. DOI: 10.1038 / nature25984 (Acerca de DOIs).