Llega la pila de litio-oxígeno: más eficiencia energética y mayor longevidad

Las baterías de litio-aire están consideradas como una tecnología muy prometedora para los automóviles eléctricos y para los dispositivos electrónicos portátiles debido a su capacidad potencial para entregar una cantidad muy superior de energía a peso igual al de pilas de otros tipos. Pero tales baterías tienen asimismo inconvenientes bastante serios: desperdician en forma de calor mucha de la energía inyectada y se degradan de manera bastante rápida. También requieren caros componentes adicionales para bombear el gas oxígeno hacia dentro y hacia fuera, en una configuración de célula abierta que es muy distinta a la de las baterías selladas convencionales.

Sin embargo, una nueva variante de la química de la batería, que podría utilizarse en una pila totalmente sellada, promete un rendimiento similar al de las baterías tradicionales de litio-aire, pero superando al mismo tiempo todos esos inconvenientes.

El nuevo concepto de batería es obra del equipo internacional de Ju Li y Zhi Zhu, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos.

Una de las desventajas de las baterías convencionales de litio-aire es el desajuste entre los voltajes implicados en su carga y descarga. El voltaje de salida de las baterías es más de 1,2 voltios inferior al del usado para cargarlas, lo que representa una notable pérdida de energía en cada ciclo de recarga. Desperdiciamos el 30 por ciento de la energía eléctrica en forma de calor al recargarlas.

Las baterías convencionales de litio-aire introducen el oxígeno desde el exterior para llevar a cabo una reacción química con el litio de la batería durante el ciclo de descarga, y este oxígeno es después liberado de nuevo a la atmósfera durante la reacción inversa en el ciclo de carga.

En un nuevo concepto para cátodos de batería, se incrustan partículas nanométricas hechas de compuestos de litio y oxígeno (ilustrados en rojo y blanco) en una retícula a modo de esponja (amarillo) de óxido de cobalto, que las mantiene estables. (Imagen: cortesía de los investigadores)

En la nueva variante, se llevan a cabo reacciones electroquímicas del mismo tipo entre el litio y el oxígeno durante la carga y la descarga, pero tienen lugar sin dejar nunca que el oxígeno vuelva a su forma gaseosa. Al contrario, el oxígeno se queda dentro de un material sólido y se transforma directamente pasando por sus tres estados redox (reducción-oxidación), dando así lugar a tres compuestos químicos sólidos (Li2O, Li2O2 y LiO2), que se mezclan entre sí en forma de cristal. Esto reduce la pérdida de voltaje en un factor de 5, desde los citados 1,2 voltios a solo 0,24 voltios, así que solo el 8 por ciento de la energía eléctrica se convierte en calor. Además, ello significa una recarga más rápida para los coches.

Este nuevo enfoque técnico ayuda a superar otro problema con las baterías de litio-aire: a medida que la reacción química implicada en la carga y la descarga convierte el oxígeno de su forma gaseosa a su forma sólida y viceversa, el material sufre unos enormes cambios de volumen que pueden alterar las vías de conducción eléctrica, limitando gravemente su vida útil.

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