Tipos de pilas de litio-aire: ventajas e inconvenientes

En 1996, Abraham et al. montaron con éxito la primera pila de litio-aire no acuosa en el laboratorio. Posteriormente, los investigadores empezaron a prestar atención a la reacción electroquímica interna y al mecanismo de la pila de litio-aire no acuosa; en 2002, Read et al. descubrieron que el rendimiento electroquímico de la pila de litio-aire depende del disolvente electrolítico y del material del cátodo de aire;

En 2006, Ogasawara et al. utilizaron un espectrómetro de masas para demostrar por primera vez que el Li2O2 se oxidaba y liberaba oxígeno durante la carga, lo que confirmaba la reversibilidad electroquímica del Li2O2. Por ello, la batería de litio-aire ha recibido mucha atención y un rápido desarrollo.

Composición y mecanismo de funcionamiento de la batería de litio-aire

Las pilas de metal-aire, dado que su principal sustancia activa, el oxígeno, procede de la atmósfera, no requieren recipientes especiales para su almacenamiento, lo que reduce la masa total de la pila y le permite disponer de espacio suficiente para proporcionar más energía. En teoría, la capacidad de la pila depende únicamente de la capacidad del material metálico del ánodo.

Sin embargo, entre la mayoría de los ánodos metálicos, el metal de litio tiene la masa más ligera (Mw = 6,94 g mol-1, ρ = 0,535 g cm-3) y una electronegatividad de -3,045 V (en comparación con el potencial SHE de un electrodo de hidrógeno estándar) , la capacidad específica teórica del metal de litio es de 3860mAh/g,

Según este cálculo, la densidad de energía específica teórica de la batería de litio-aire es de 5.200 Wh/kg (considerando la masa de oxígeno del material activo) o de 11.400 Wh/kg (calculada excluyendo la masa de oxígeno del material activo), su densidad de energía específica es cercana a la de la gasolina tradicional (unos 13.200 Wh/kg), y entre 5 y 10 veces la de las baterías secundarias tradicionales de iones de litio. Aquí todo es teoría.

Los principales tipos de pilas de litio-aire

Batería de litio-aire, el cátodo es una lámina de litio de metal puro, que contiene una gran cantidad de aire catalizador electrodo positivo y electrolito. El tipo de electrolito es diferente, y su proceso de trabajo también es ligeramente diferente.

Según el sistema electrolítico, la batería de litio-aire se divide principalmente en líquido electrolítico orgánico (sistema electrolítico no acuoso), sistema electrolítico acuoso, sistema electrolítico mixto y sistema electrolítico totalmente sólido.

En general, las baterías de litio-aire pueden dividirse en seis categorías: sistemas orgánicos, sistemas acuosos, sistemas de líquido iónico, sistemas de electrolito dual orgánico-acuoso, sistemas de estado totalmente sólido y baterías de litio-aire-supercondensador.

Batería acuosa de litio-aire

Batería de litio-aire de electrolito acuoso, el electrolito es una variedad de soluciones acuosas con diferentes valores de pH, en diferentes electrolitos ácidos y alcalinos, las reacciones químicas de la batería también son diferentes. Dado que el litio metálico puede sufrir violentas reacciones redox con el agua, es necesario recubrir la superficie del litio metálico con una capa de película de conducción de iones de litio estable al agua, es decir, una película de conducción de iones de superlitio (LTAP) Li3M2(PO)4 de tipo NASICON. Sin embargo, no es estable en contacto con el litio, y el producto de la reacción aumentará la impedancia interfacial entre ambos.

El concepto de batería acuosa de litio-aire se propuso anteriormente, no tiene el problema de los productos de reacción del electrodo de aire que obstruyen el electrodo de aire en el sistema orgánico, sin embargo, la protección del ánodo de litio no se ha resuelto bien, incluyendo la estabilidad de LTAP en solución acuosa, que sigue siendo la dirección de investigación de este sistema. El metal de litio se corroe gravemente en electrolitos acuosos, y la tasa de autodescarga es particularmente alta, lo que hace que el ciclo de la batería y la eficiencia coulómbica sean muy bajos.

Pila orgánica de litio-aire

El sistema utiliza litio metálico como ánodo, oxígeno como cátodo, polímero a base de poliacrilonitrilo (PAN) como electrolito (disolvente PC, EC), la tensión en circuito abierto (OCV) es de unos 3V y la energía específica (no incluida en la caja de la batería) es de 250-350Wh/kg.

Como se utiliza disolvente orgánico como electrolito, se resuelve el problema de la corrosión del litio metálico, y la batería presenta un buen rendimiento de carga y descarga. El electrodo de aire está compuesto por carbono, aglutinante, catalizador sin carbono y disolvente, que se mezclan uniformemente y se recubren sobre la malla metálica.

El electrodo de aire preparado debe tener una buena conductividad electrónica (>1S/cm), conductividad iónica (>10~2 S/cm) y coeficiente de difusión de oxígeno. Los factores más evidentes que afectan al rendimiento de la pila son el material del electrodo de aire, el mecanismo de reducción del oxígeno y los parámetros cinéticos correspondientes.

Entre los productos de reacción anteriores, sólo la reacción del peróxido de litio Li2O2 es reversible, en otras palabras, los investigadores tienen que hacer todo lo posible para aumentar la proporción de peróxido de litio en la reacción y reducir la proporción de óxido de litio con el fin de realizar el ciclo de carga y descarga de la capacidad de la batería de litio-aire.

No existe una opinión unánime sobre los factores que determinan específicamente el tipo de producto. Algunos piensan que el nivel de polarización del electrodo de aire afecta a la proporción de peróxido, otros que el catalizador influye más y otros que el material del electrolito desempeña un papel importante.

Batería de litio-aire de sistema acuoso-orgánico de dos líquidos

Acuosa: la forma básica de la batería de litio-aire del sistema orgánico de dos líquidos, el ánodo metálico de litio de la batería se encuentra en el electrolito orgánico, el electrolito de un lado del electrodo de aire del cátodo es una solución acuosa de KOH, y el medio está separado por una película de vidrio conductora de iones de superlitio (película de vidrio conductora de iones de superlitio, LISICON).

La novedad de esta batería de litio-aire de nueva configuración es que no hay que preocuparse de que el producto de reacción del electrodo de aire obstruya los microporos del electrodo en el sistema orgánico, y el oxígeno de la fase acuosa se reduce a LiOH soluble en agua en el electrodo de aire. El diafragma, un componente clave en la tecnología, tiene poca resistencia a los álcalis, y su resistencia está relacionada con la densidad de corriente de descarga, lo que supone una dificultad insatisfactoria en esta vía técnica.

Batería de litio-aire de estado sólido

Todas las baterías de litio-aire de estado sólido, el electrolito en el medio se compone de 3 partes, la capa intermedia tiene la mayor proporción de cerámica de vidrio con buena resistencia al agua, y hay dos capas delgadas de diferentes materiales poliméricos cerca del ánodo de litio y el cátodo de oxígeno.

La batería de litio-aire totalmente sólida no tiene problemas de fugas de líquido, y se ha mejorado la seguridad. Sin embargo, el contacto entre el electrolito sólido y el ánodo de litio, el electrodo de aire y el interior del electrolito sólido no será tan estrecho como el del electrolito líquido, lo que puede provocar un aumento de la resistencia interna de la batería. En comparación con la batería de litio-aire del sistema orgánico, la estructura del sistema también es más complicada.

El desarrollo de la batería de litio-aire de estado sólido ha experimentado la temperatura de trabajo de alta temperatura a temperatura media y temperatura ambiente, y la estructura de la batería de compleja a simple. La reacción de la batería va desde la generación de productos de descarga en el ánodo basada en el transporte de iones de oxígeno hasta el proceso de producción de productos de descarga en el cátodo basado en el transporte de iones de litio.

Sin embargo, debido a la enorme diferencia de rendimiento, la actual batería de litio-aire de estado sólido basada en el transporte de iones de litio necesita realizar más avances en la estructura de la batería, la regulación de la interfaz, el mecanismo de carga y descarga, etc.

Sistema de líquido iónico batería de litio-aire

Qué es un líquido iónico, una solución salina compuesta de cationes y aniones orgánicos. El objetivo es utilizar los cationes del electrolito para transferir carga entre el ánodo de litio y el cátodo de oxígeno.

Los líquidos iónicos se han introducido en las baterías de litio-aire debido a su baja inflamabilidad, hidrofobicidad, baja presión de vapor, amplia ventana electroquímica y alta estabilidad térmica; sin embargo, su alta viscosidad y elevado precio limitan hasta cierto punto la aplicación ulterior de los líquidos iónicos.

Ventajas y desventajas de la batería de litio-aire

Ventaja

1) Bajo coste, el material activo del cátodo utiliza el oxígeno del aire, no es necesario almacenarlo ni adquirirlo, y el electrodo de aire utiliza soportes de carbono baratos.

2) Alta densidad energética, en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio, la batería de litio-aire tiene una densidad energética de 5.200 Wh/kg, y su densidad energética puede alcanzar los 11.140 Wh/kg sin contar la masa de oxígeno, lo que supone un orden de magnitud superior a los sistemas de baterías existentes.

3)Respetuosa con el medio ambiente, la batería de litio-aire no contiene sustancias tóxicas como plomo, cadmio y mercurio, y es un sistema de baterías respetuoso con el medio ambiente.

Desventaja

En general, hay una gran proporción de componentes irreversibles en el producto de reacción de la pila de litio-aire, lo que constituye un problema inevitable que no puede evitarse mediante diversas rutas técnicas y debe resolverse de frente. Las deficiencias de cada ruta técnica se han mencionado básicamente en la clasificación y los problemas existentes, y no se repetirán aquí.

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