¿Tiene la pila acuosa una ventaja competitiva

¿Qué es una pila acuosa?

Por batería acuosa se entiende una batería secundaria que utiliza agua como electrolito. En comparación con las baterías de electrolitos orgánicos, las acuosas tienen las ventajas de ser muy seguras, respetuosas con el medio ambiente y muy conductoras de iones.

De ahí el creciente interés por las baterías acuosas en busca de soluciones de almacenamiento de energía más fiables y asequibles. Las baterías acuosas comerciales actuales se utilizan en los campos del transporte y el almacenamiento en la red eléctrica, pero no pueden alcanzar la densidad energética y la vida útil requeridas. Esta limitación cambiará con el descubrimiento de nuevos sistemas materiales y el desarrollo de estrategias de diseño de baterías.

Ventajas e inconvenientes de la pila acuosa

Las baterías acuosas suelen considerarse seguras, fiables y asequibles, una ventaja frente a las baterías de iones de litio, que no se incendian al utilizar disolventes orgánicos inflamables en sus soluciones electrolíticas. Las baterías acuosas convencionales utilizan electrolitos que suelen contener más de 70% de agua en peso, por lo que no suelen ser inflamables.

Ventaja

Bajo coste： el argumento del bajo coste de la batería acuosa se deriva de al menos tres factores: materias primas baratas, requisitos mínimos para el entorno de fabricación y demanda limitada de sistemas de gestión y protección de la batería.

Seguridad y fiabilidad： Aunque una batería acuosa no se incendie, sigue siendo vulnerable a un manejo incorrecto y puede sufrir sucesos catastróficos como explosiones. La sobrecarga es una operación incorrecta que descompone irreversiblemente el electrolito y degrada el rendimiento de la batería;

Cinética rápida: Debido a la alta disociación de iones y a la baja viscosidad, las soluciones de electrolitos acuosos son generalmente más conductoras que las soluciones de electrolitos no acuosos en condiciones equivalentes.

Desventajas

Ventana de estabilidad electroquímica estrecha: El agua tiene una estrecha ventana de estabilidad electroquímica termodinámica de 1,23 V, más allá de la cual el agua se oxida anódicamente a oxígeno.

Agresividad de las soluciones acuosas: La alta polaridad y la fuerte capacidad de coordinación del agua la convierten en un excelente disolvente para la disolución y la disociación. Estas propiedades hacen del agua un buen ingrediente para los electrolitos, pero un problema para muchos componentes de las baterías.

Batería de iones de litio frente a batería acuosa

Las baterías de iones de litio más comunes en la vida son las de litio hierro fosfato y las de batería ternaria de litioEl litio es un metal muy activo que puede reaccionar inmediatamente cuando se encuentra con una cantidad muy pequeña de agua. Sin embargo, el litio es un metal muy activo que puede reaccionar inmediatamente cuando se encuentra con una cantidad muy pequeña de agua. Por lo general, las baterías de iones de litio sólo pueden fabricarse en salas secas estrictamente controladas;

Las baterías de litio también son muy sensibles a la temperatura y, por lo general, sólo pueden funcionar de forma estable en un rango de -20 a 50 °C, cerca de la temperatura ambiente. Para mantener la salud de la batería durante su uso, también es necesario operar de acuerdo con los requisitos de temperatura.

Ante los problemas de seguridad no resueltos, los científicos han centrado su atención en los electrolitos acuosos. En comparación con los electrolitos orgánicos utilizados actualmente en las baterías de iones de litio, el "factor de seguridad" de los electrolitos acuosos para baterías es mucho mayor. No es difícil comprender que la solución acuosa de la batería no es inflamable, y que se quiere utilizar la batería en condiciones extremas, lo que reduce enormemente el riesgo de combustión y explosión de la batería.

Alta seguridad, condiciones de preparación sencillas y bajo coste han sido siempre las llamativas ventajas de los electrolitos acuosos de las pilas. Pero las deficiencias de las pilas acuosas también son importantes: el estrecho margen de tensión limita la densidad energética de la pila.

Por ejemplo, el voltaje de las baterías acuosas convencionales, como las de plomo y ácido y las de níquel-cadmio, es de 1-2 V, y la densidad energética es de sólo 30-50 Wh/kg, muy inferior a la de las baterías orgánicas de iones de litio (3-4 V, 150-250 Wh /kg). La densidad energética de las baterías acuosas es inferior a 1/3 de la de las baterías de iones de litio, por lo que las baterías que utilizan electrolitos acuosos no tienen una ventaja competitiva en el mercado.

Desarrollo futuro de la pila acuosa

Aunque es probable que los modernos diseños de herramientas y baterías hayan eliminado las limitaciones de la batería acuosa tradicional, no se pueden ignorar las contrapartidas introducidas. La mayoría de los electrolitos pobres en agua y las membranas selectivas siguen siendo caros, lo que debilita la ventaja de coste de la pila acuosa.

La complejidad de fabricar una batería multicámara y los materiales utilizados para el ánodo, como el metal de litio, aumentan el coste. La conducción iónica entre el electrolito acuoso pobre y la interfaz es comparable a la de los electrolitos no acuosos, pero muy inferior a la esperada convencionalmente para los sistemas acuosos. La implementación del ciclo de oxígeno parece ser problemática en algunas configuraciones de baterías y requiere una gestión robusta de las mismas.

La no inflamabilidad, la única ventaja de la batería acuosa tradicional, se ha mantenido en gran medida, y los electrolitos, las membranas y los electrodos necesitan mejoras continuas para que surja una batería acuosa moderna con impacto comercial. Además de las estrategias descritas anteriormente, las siguientes líneas de investigación son urgentes pero poco exploradas: cuestiones relacionadas con los electrolitos, membranas a medida y baterías prácticas de iones duales.