Aplicación de materiales nanoestructurados para baterías metal-aire

[Autor: Enrique García-Quismondo-Unidad de Procesos Electroquímicos, Instituto IMDEA Energía]

El almacenamiento de la electricidad y la gestión inteligente de la red es una de las prioridades para utilizar eficientemente los recursos energéticos y permitir una mayor penetración de las energías renovables en el sistema eléctrico. Las energías renovables, dada su naturaleza variable e intermitente, al igual que los vehículos eléctricos que empiezan a comercializarse, necesitan de baterías que permitan almacenar energía con un coste razonable [1]

Las limitaciones técnicas de las baterías actuales en términos de volumen/tamaño por Wh de energía almacenado representan una de las grandes fronteras tecnológicas de los próximos años. Se ha avanzado mucho, las baterías basadas en Litio-ión han recibido considerable atención, especialmente desde la introducción de las primeras celdas comerciales hace 20 años [2][3]. Sin embargo, estas baterías están todavía lejos de cumplir las especificaciones requeridas que permitan aumentar su penetración en mercados potenciales como por ejemplo en vehículos eléctricos y algunas aplicaciones de la red eléctrica [4]. Por esta razón se han abierto numerosas líneas de investigación sobre baterías que vayan más allá del Litio-ión. Algunas de ellas se encaminan a conseguir una batería recargable basada en los sistemas metal-aire.

Baterías de Metal-aire

Las baterías de Metal-aire están consideradas como una solución prometedora para el almacenamiento de energía en aplicaciones portátiles como dispositivos electrónicos y vehículos electrificados, así como para algunas aplicaciones de la red eléctrica, debido a que tienen el potencial de almacenar más energía por peso que las baterías de Litio-ión [4]. Están constituidas por un metal ligero y fuertemente reductor (electrodo negativo) que típicamente es litio, hierro, aluminio, magnesio o zinc, y por una estructura de material carbonoso donde tienen lugar las reacciones del oxígeno del aire (electrodo positivo). El electrolito, que puede ser acuoso o basado en un compuesto orgánico, tiene la función de permitir la conducción eléctrica y se sitúa en medio de ambos electrodos. Generalmente se incorpora un separador cuya función es evitar el contacto entre los electrodos. 

Este tipo de baterías se caracterizan por utilizar el oxígeno del aire en el electrodo positivo. Así, al no necesitar almacenar uno de los reactivos en el cuerpo de la batería, se reduce su volumen y peso con lo que aumenta su capacidad de almacenamiento de energía por kilogramo comparado con las baterías convencionales [5], como se muestra en la Figura 1. A partir de la misma se puede observar que si bien la gasolina proporciona mayor densidad energética y flexibilidad que la última generación de baterías de iones de litio (13 kWh/kg en la gasolina (8.9 kWh por litro), frente a 0.16 kWh por kg de las baterías de iones de litio), las baterías de Metal-aire representan un avance sustancial en la capacidad de almacenamiento de energía.

 

Figura 1. Energía específica práctica para algunas baterías recargables [6][7].

Problemática

Sin embargo, aunque las baterías de Metal-aire no recargables se han utilizado comercialmente durante mucho tiempo (el uso de baterías primarias de zinc-aire es frecuente en audífonos, en aparatos electrónicos portátiles y en el sector automotriz), en la actualidad muchos desafíos impiden la comercialización de baterías de este tipo con capacidad para dar cierto rendimiento durante muchos ciclos, que actualmente está limitada a su investigación a nivel de laboratorio [8].

Dos de los mayores retos consisten en optimizar el proceso de carga y descarga del elemento metálico que conlleva una transformación sólido-líquido que suele ser el origen de la formación de estructuras similares a raíces que causan cortocircuitos en la batería, y por otro lado controlar la entrada de aire en el electrodo positivo porque si penetrara en exceso el electrolito puede ser degradado por la humedad.

Sin embargo, la mayoría de las limitaciones actuales en el desarrollo de baterías de Metal-aire se encuentran en la electroquímica del electrodo positivo ya que las reacciones del oxígeno son de cinética lenta y poco eficientes, como consecuencia la potencia de salida de la batería está limitada y no se consiguen rendimientos de ciclo completo superiores al 50% [9][10]. Uno de los problemas observados es que aunque los investigadores están buscando diferentes materiales catalizadores para mejorar la actividad y la cinética de estas reacciones, la mayoría se basan en metales costosos como el cobalto, el platino, el iridio y el oro [11].

Desarrollos del Instituto IMDEA Energía

En el Instituto IMDEA Energía los investigadores de la Unidad de Procesos Electroquímicos están trabajando en el desarrollo de electrodos que contengan catalizadores basados en óxidos metálicos nanoestructurados cuya morfología permita alcanzar elevada actividad electrocatalítica para promover las reacciones del oxígeno en el electrodo positivo.

Lo que hace de estos óxidos metálicos un material prometedor para fabricar electrodos de aire es que se sintetizan a partir de química sol – gel por lo que se obtienen en forma de partículas de dimensiones nanométricas. A ese tamaño las partículas tienen una manera muy especial de interactuar con su entorno ya que presentan una elevada relación superficie / volumen. Una leve diferencia de tamaño implica un impresionante aumento de superficie, y es en la superficie donde se producen las reacciones químicas. Por lo que un material compuesto de nanopartículas tiene la posibilidad de multiplicar exponencialmente su actividad química.

Los investigadores de IMDEA Energía han preparado electrodos recubiertos con nanopartículas de óxido de manganeso, material que presenta las mismas capacidades que los metales nobles usados habitualmente como catalizador, pero que resulta más barato y abundante.

El análisis morfológico de estos electrodos ha mostrado que presentan una estructura porosa y está recubierto de partículas óxidos de manganeso de nanómetros de diámetro, proporcionando enorme área de superficie y espacio para que el electrolito de la batería se difunda. Los primeros experimentos eléctricos llevados a cabo a escala de laboratorio indican que los electrodos basados en óxidos nanoestructurados presentan prestaciones similares a los electrodos comerciales alcanzando incluso un mayor potencial de electrodo (ver Figura 2), factor que permitiría disponer de una batería con mayor voltaje entre bornes.

Pero aún queda mucho por hacer. Lo primero es establecer un procedimiento para la fabricación de electrodos de mayor tamaño a fin de evaluar sus prestaciones y su eficiencia energética en una celda completa a una escala más cercana al de las aplicaciones comerciales. A continuación es necesario incorporar elementos que permitan el uso de esos electrodos en dispositivos de uso práctico. Este es el trabajo que se está llevando a cabo actualmente en las instalaciones de IMDEA Energía enfocado esencialmente a la preparación y caracterización de electrodos basados en óxidos nanoestructurados a un tamaño de 200 cm2 de área geométrica a los que se les ha incorporado una película de difusión de aire de politetrafluoroetileno (PTFE) para controlar la entrada de aire y evitar la pérdida de electrolito (ver Figura 3).  

 

Figura 2. Curva de polarización de electrodos de aire basados en óxidos nanoestructurados y con un electrodo comercial. Detalle de la celda de ensayo.

 

Figura 3. Electrodos de aire basado en óxidos nanoestructurados (200 cm2).

References

[1]     R. Gross, P. Heptonstall, The costs and impacts of intermittency: An ongoing debate. “East is East, and West is West, and never the twain shall meet.,” Energy Policy. 36 (2008) 4005–4007.

[2]     S. Megahed, B. Scrosati, Lithium-ion rechargeable batteries, Journal of Power Sources. 51 (1994) 79–104.

[3]     A.R. Armstrong, P.G. Bruce, Synthesis of layered LiMnO2 as an electrode for rechargeable lithium batteries, Nature. 381 (1996) 499–500.

[4]     D. Linden, T.B. Reddy, HANDBOOK OF BATTERIES, 3ed ed., 2002.

[5]     D.G. Kwabi, N. Ortiz-Vitoriano, S. a. Freunberger, Y. Chen, N. Imanishi, P.G. Bruce, et al., Materials challenges in rechargeable lithium-air batteries, MRS Bulletin. 39 (2014) 443–452.

[6]     G. Girishkumar, B. McCloskey, A.C. Luntz, S. Swanson, W. Wilcke, Lithium-air battery: Promise and challenges, Journal of Physical Chemistry Letters. 1 (2010) 2193–2203.

[7]     P.G. Bruce, S.A. Freunberger, L.J. Hardwick, J.-M. Tarascon, Li – O 2 and Li – S batteries with high energy storage, Nature Materials. 11 (2012) 19–30.

[8]     M.-C. Lin, M. Gong, B. Lu, Y. Wu, D.-Y. Wang, M. Guan, et al., An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery, Nature. (2015).

[9]     J.S. Lee, S.T. Kim, R. Cao, N.S. Choi, M. Liu, K.T. Lee, et al., Metal-air batteries with high energy density: Li-air versus Zn-air, Advanced Energy Materials. 1 (2011) 34–50.

[10]   M. a. Rahman, X. Wang, C. Wen, High Energy Density Metal-Air Batteries: A Review, Journal of the Electrochemical Society. 160 (2013) A1759–A1771.

[11]   L. Jörissen, Bifunctional oxygen/air electrodes, Journal of Power Sources. 155 (2006) 23–32.

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