Foto cortesía de los investigadores.

Las baterías de litio-aire se consideraron prometedoras en la década de 1970 como una fuente de energía potencial para los vehículos eléctricos, ofreciendo densidades de energía que rivalizan con la gasolina y superan significativamente a las baterías de iones de litio convencionales. Sin embargo, los científicos de las últimas décadas no han podido superar los desafíos de la aplicación práctica de esta tecnología, incluida la carga reversible y la baja ciclabilidad que provoca la degradación de la batería con pocos usos.

Un equipo de investigación del MIT, la Universidad de Harvard y la Universidad de Cornell ha encontrado una manera de aislar y estudiar una molécula enigmática que puede ser responsable de la descomposición de componentes clave en las baterías de Li-aire: el superóxido de litio.

"La clave para atrapar el superóxido de litio es usar una capa de confinamiento de quinona, una molécula utilizada como portador de energía en biología", dice Matthew Nava PhD ´17, autor principal de un artículo sobre el trabajo, publicado recientemente en PNAS. Nava, que ahora es un postdoctorado en la Universidad de Harvard trabajando en el laboratorio del profesor de energía Patterson Rockwood Daniel G. Nocera, contribuyó al trabajo como investigador en el laboratorio del profesor de química Henry Dreyfus Christopher Cummins, autor principal de el estudio; junto con Shiyu Zhang del MIT; Katharine Pastore y Kyle Lancaster de la Universidad de Cornell; y Xiaowen Feng y Daniel Nocera de Harvard.

Como muchos descubrimientos, este comenzó como un accidente. Mientras era estudiante de posgrado en el grupo de Cummins, Nava notó que el peróxido de litio se volvía azul cuando se acercaba a la quinona, lo que representa un cambio de color raro de dos sólidos reactivos. Aunque sabían que el superóxido de litio intermedio debería estar presente en este nuevo material, era difícil de probar, ya que el intermedio estaba enterrado en una capa de quinona de color intenso, propensa a la detonación.

Las baterías de litio-aire funcionan mediante la transferencia de electrones desde un cátodo de gran área superficial al oxígeno gaseoso durante la descarga, lo que genera depósitos de peróxido de litio, el material de almacenamiento crucial para esta clase de baterías. El superóxido de litio, formado durante la carga y descarga, es demasiado inestable y de corta duración a temperatura ambiente para que los científicos lo estudien de manera confiable; por lo tanto, poder generar y estabilizar este intermediario crucial es un paso importante hacia el desarrollo de una batería de litio-aire viable.

“La ciclabilidad limitada [de las baterías de li-aire] indica que nuestra comprensión de los óxidos metálicos que forman la unidad de almacenamiento de energía de estas baterías es incompleta”, dice Nava. “Este trabajo demuestra cómo la encapsulación o el confinamiento físico con materiales específicos podría ser un método poderoso para prevenir la degradación de electrolitos y celdas en estas baterías y aumentar la ciclabilidad de las celdas”.

A medida que el mundo hace una transición lenta hacia las fuentes de energía renovable, es necesario resolver los problemas de intermitencia y los desafíos de convertir la energía renovable en combustibles utilizables. Las baterías pueden desempeñar un papel crucial en la necesidad de un almacenamiento de energía confiable y eficiente, y este descubrimiento puede haber proporcionado una clave vital para desbloquear el camino a seguir.

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MIT

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