{"id":132539,"date":"2015-06-24T11:02:55","date_gmt":"2015-06-24T10:02:55","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=132539"},"modified":"2015-06-24T11:02:55","modified_gmt":"2015-06-24T10:02:55","slug":"aplicacion-de-materiales-nanoestructurados-para-baterias-metal-aire","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2015\/06\/24\/132539","title":{"rendered":"Aplicaci\u00f3n de materiales nanoestructurados para bater\u00edas metal-aire"},"content":{"rendered":"

[Autor: Enrique Garc\u00eda-Quismondo-Unidad de Procesos Electroqu\u00edmicos, Instituto IMDEA Energ\u00eda]<\/strong><\/p>\n

El almacenamiento de la electricidad y la gesti\u00f3n inteligente de la red es una de las prioridades para utilizar eficientemente los recursos energ\u00e9ticos y permitir una mayor penetraci\u00f3n de las energ\u00edas renovables en el sistema el\u00e9ctrico. Las energ\u00edas renovables, dada su naturaleza variable e intermitente, al igual que los veh\u00edculos el\u00e9ctricos que empiezan a comercializarse, necesitan de bater\u00edas que permitan almacenar energ\u00eda con un coste razonable <\/span>[1]<\/span>.\u00a0<\/span>
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Las limitaciones t\u00e9cnicas de las bater\u00edas actuales en t\u00e9rminos de volumen\/tama\u00f1o por Wh de energ\u00eda almacenado representan una de las grandes fronteras tecnol\u00f3gicas de los pr\u00f3ximos a\u00f1os. Se ha avanzado mucho, las bater\u00edas basadas en Litio-i\u00f3n han recibido considerable atenci\u00f3n, especialmente desde la introducci\u00f3n de las primeras celdas comerciales hace 20 a\u00f1os <\/span>[2]<\/span>[3]<\/span>. Sin embargo, estas bater\u00edas est\u00e1n todav\u00eda lejos de cumplir las especificaciones requeridas que permitan aumentar su penetraci\u00f3n en mercados potenciales como por ejemplo en veh\u00edculos el\u00e9ctricos y algunas aplicaciones de la red el\u00e9ctrica <\/span>[4]<\/span>. Por esta raz\u00f3n se han abierto numerosas l\u00edneas de investigaci\u00f3n sobre bater\u00edas que vayan m\u00e1s all\u00e1 del Litio-i\u00f3n. Algunas de ellas se encaminan a conseguir una bater\u00eda recargable basada en los sistemas metal-aire.<\/span>
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Bater\u00edas de Metal-aire<\/span><\/strong>
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Las bater\u00edas de Metal-aire est\u00e1n consideradas como una soluci\u00f3n prometedora para el almacenamiento de energ\u00eda en aplicaciones port\u00e1tiles como dispositivos electr\u00f3nicos y veh\u00edculos electrificados, as\u00ed como para algunas aplicaciones de la red el\u00e9ctrica, debido a que tienen el potencial de almacenar m\u00e1s energ\u00eda por peso que las bater\u00edas de Litio-i\u00f3n <\/span>[4]<\/span>. Est\u00e1n constituidas por un metal ligero y fuertemente reductor (electrodo negativo) que t\u00edpicamente es litio, hierro, aluminio, magnesio o zinc, y por una estructura de material carbonoso donde tienen lugar las reacciones del ox\u00edgeno del aire (electrodo positivo). El electrolito, que puede ser acuoso o basado en un compuesto org\u00e1nico, tiene la funci\u00f3n de permitir la conducci\u00f3n el\u00e9ctrica y se sit\u00faa en medio de ambos electrodos. Generalmente se incorpora un separador cuya funci\u00f3n es evitar el contacto entre los electrodos.\u00a0<\/span>
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Este tipo de bater\u00edas se caracterizan por utilizar el ox\u00edgeno del aire en el electrodo positivo. As\u00ed, al no necesitar almacenar uno de los reactivos en el cuerpo de la bater\u00eda, se reduce su volumen y peso con lo que aumenta su capacidad de almacenamiento de energ\u00eda por kilogramo comparado con las bater\u00edas convencionales <\/span>[5]<\/span>, como se muestra en la Figura 1. A partir de la misma se puede observar que si bien la gasolina proporciona mayor densidad energ\u00e9tica y flexibilidad que la \u00faltima generaci\u00f3n de bater\u00edas de iones de litio (13 kWh\/kg en la gasolina (8.9 kWh por litro), frente a 0.16 kWh por kg de las bater\u00edas de iones de litio), las bater\u00edas de Metal-aire representan un avance sustancial en la capacidad de almacenamiento de energ\u00eda. <\/span><\/p>\n

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Figura 1. <\/span><\/strong>Energ\u00eda espec\u00edfica pr\u00e1ctica para algunas bater\u00edas recargables <\/span>[6]<\/span>[7]<\/span>.<\/span><\/p>\n

Problem\u00e1tica<\/strong><\/span><\/p>\n

Sin embargo, aunque las bater\u00edas de Metal-aire no recargables se han utilizado comercialmente durante mucho tiempo (el uso de bater\u00edas primarias de zinc-aire es frecuente en aud\u00edfonos, en aparatos electr\u00f3nicos port\u00e1tiles y en el sector automotriz), en la actualidad muchos desaf\u00edos impiden la comercializaci\u00f3n de bater\u00edas de este tipo con capacidad para dar cierto rendimiento durante muchos ciclos, que actualmente est\u00e1 limitada a su investigaci\u00f3n a nivel de laboratorio <\/span>[8]<\/span>.<\/span><\/p>\n

Dos de los mayores retos consisten en optimizar el proceso de carga y descarga del elemento met\u00e1lico que conlleva una transformaci\u00f3n s\u00f3lido-l\u00edquido que suele ser el origen de la formaci\u00f3n de estructuras similares a ra\u00edces que causan cortocircuitos en la bater\u00eda, 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. <\/span><\/p>\n

Sin embargo, la mayor\u00eda de las limitaciones actuales en el desarrollo de bater\u00edas de Metal-aire se encuentran en la electroqu\u00edmica del electrodo positivo ya que las reacciones del ox\u00edgeno son de cin\u00e9tica lenta y poco eficientes, como consecuencia la potencia de salida de la bater\u00eda est\u00e1 limitada y no se consiguen rendimientos de ciclo completo superiores al 50% <\/span>[9]<\/span>[10]<\/span>. Uno de los problemas observados es que aunque los investigadores est\u00e1n buscando diferentes materiales catalizadores para mejorar la actividad y la cin\u00e9tica de estas reacciones, la mayor\u00eda se basan en metales costosos como el cobalto, el platino, el iridio y el oro <\/span>[11]<\/span>.<\/span><\/p>\n

Desarrollos del Instituto IMDEA Energ\u00eda<\/span><\/strong><\/p>\n

En el Instituto IMDEA Energ\u00eda los investigadores de la Unidad de Procesos Electroqu\u00edmicos est\u00e1n trabajando en el desarrollo de electrodos que contengan catalizadores basados en \u00f3xidos met\u00e1licos nanoestructurados cuya morfolog\u00eda permita alcanzar elevada actividad electrocatal\u00edtica para promover las reacciones del ox\u00edgeno en el electrodo positivo. <\/span><\/p>\n

Lo que hace de estos \u00f3xidos met\u00e1licos un material prometedor para fabricar electrodos de aire es que se sintetizan a partir de qu\u00edmica sol \u2013 gel por lo que se obtienen en forma de part\u00edculas de dimensiones nanom\u00e9tricas. A ese tama\u00f1o las part\u00edculas tienen una manera muy especial de interactuar con su entorno ya que presentan una elevada relaci\u00f3n superficie \/ volumen. Una leve diferencia de tama\u00f1o implica un impresionante aumento de superficie, y es en la superficie donde se producen las reacciones qu\u00edmicas. Por lo que un material compuesto de nanopart\u00edculas tiene la posibilidad de multiplicar exponencialmente su actividad qu\u00edmica. <\/span><\/p>\n

Los investigadores de IMDEA Energ\u00eda han preparado electrodos recubiertos con nanopart\u00edculas de \u00f3xido de manganeso, material que presenta las mismas capacidades que los metales nobles usados habitualmente como catalizador, pero que resulta m\u00e1s barato y abundante. <\/span><\/p>\n

El an\u00e1lisis morfol\u00f3gico de estos electrodos ha mostrado que presentan una estructura porosa y est\u00e1 recubierto de part\u00edculas \u00f3xidos de manganeso de nan\u00f3metros de di\u00e1metro, proporcionando enorme \u00e1rea de superficie y espacio para que el electrolito de la bater\u00eda se difunda. Los primeros experimentos el\u00e9ctricos llevados a cabo a escala de laboratorio indican que los electrodos basados en \u00f3xidos nanoestructurados presentan prestaciones similares a los electrodos comerciales alcanzando incluso un mayor potencial de electrodo (ver Figura 2), factor que permitir\u00eda disponer de una bater\u00eda con mayor voltaje entre bornes. <\/span><\/p>\n

Pero a\u00fan queda mucho por hacer. Lo primero es establecer un procedimiento para la fabricaci\u00f3n de electrodos de mayor tama\u00f1o a fin de evaluar sus prestaciones y su eficiencia energ\u00e9tica en una celda completa a una escala m\u00e1s cercana al de las aplicaciones comerciales. A continuaci\u00f3n es necesario incorporar elementos que permitan el uso de esos electrodos en dispositivos de uso pr\u00e1ctico. Este es el trabajo que se est\u00e1 llevando a cabo actualmente en las instalaciones de IMDEA Energ\u00eda enfocado esencialmente a la preparaci\u00f3n y caracterizaci\u00f3n de electrodos basados en \u00f3xidos nanoestructurados a un tama\u00f1o de 200 cm<\/span>2<\/span><\/sup> de \u00e1rea geom\u00e9trica a los que se les ha incorporado una pel\u00edcula de difusi\u00f3n de aire de politetrafluoroetileno (PTFE) para controlar la entrada de aire y evitar la p\u00e9rdida de electrolito (ver Figura 3). <\/span>\u00a0<\/span><\/p>\n

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Figura 2. <\/span><\/strong>Curva de polarizaci\u00f3n de electrodos de aire basados en \u00f3xidos nanoestructurados y con un electrodo comercial. Detalle de la celda de ensayo.<\/span><\/p>\n

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Figura 3. <\/span><\/strong>Electrodos de aire basado en \u00f3xidos nanoestructurados<\/span> (200 cm<\/span>2<\/span><\/sup>)<\/span>.<\/span><\/p>\n

References<\/span><\/strong><\/p>\n

[1]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>R. Gross, P. Heptonstall, The costs and impacts of intermittency: An ongoing debate. \u201cEast is East, and West is West, and never the twain shall meet.,\u201d Energy Policy. 36 (2008) 4005\u20134007.<\/span><\/p>\n

[2]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>S. Megahed, B. Scrosati, Lithium-ion rechargeable batteries, Journal of Power Sources. 51 (1994) 79\u2013104.<\/span><\/p>\n

[3]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>A.R. Armstrong, P.G. Bruce, Synthesis of layered LiMnO2 as an electrode for rechargeable lithium batteries, Nature. 381 (1996) 499\u2013500.<\/span><\/p>\n

[4]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>D. Linden, T.B. Reddy, HANDBOOK OF BATTERIES, 3ed ed., 2002.<\/span><\/p>\n

[5]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>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\u2013452.<\/span><\/p>\n

[6]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>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\u20132203.<\/span><\/p>\n

[7]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>P.G. Bruce, S.A. Freunberger, L.J. Hardwick, J.-M. Tarascon, Li \u2013 O 2 and Li \u2013 S batteries with high energy storage, Nature Materials. 11 (2012) 19\u201330.<\/span><\/p>\n

[8]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>M.-C. Lin, M. Gong, B. Lu, Y. Wu, D.-Y. Wang, M. Guan, et al., An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery, Nature. (2015).<\/span><\/p>\n

[9]<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>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\u201350.<\/span><\/p>\n

[10]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>M. a. Rahman, X. Wang, C. Wen, High Energy Density Metal-Air Batteries: A Review, Journal of the Electrochemical Society. 160 (2013) A1759\u2013A1771.<\/span><\/p>\n

[11]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>L. J\u00f6rissen, Bifunctional oxygen\/air electrodes, Journal of Power Sources. 155 (2006) 23\u201332. <\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

[Autor: Enrique Garc\u00eda-Quismondo-Unidad de Procesos Electroqu\u00edmicos, Instituto IMDEA Energ\u00eda] El almacenamiento de la electricidad y la gesti\u00f3n inteligente de la red es una de las prioridades para utilizar eficientemente los recursos energ\u00e9ticos y permitir una mayor penetraci\u00f3n de las energ\u00edas renovables en el sistema el\u00e9ctrico. Las energ\u00edas renovables, dada su naturaleza variable e intermitente, al igual que los veh\u00edculos el\u00e9ctricos que empiezan a comercializarse, necesitan de bater\u00edas que permitan almacenar energ\u00eda con un coste razonable [1].\u00a0 Las limitaciones t\u00e9cnicas de las bater\u00edas actuales en t\u00e9rminos de volumen\/tama\u00f1o por Wh de energ\u00eda almacenado representan una de las grandes fronteras tecnol\u00f3gicas de\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[545,1784,543],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132539"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=132539"}],"version-history":[{"count":7,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132539\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":132549,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132539\/revisions\/132549"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=132539"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=132539"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=132539"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}