Una batería acuosa de iones de litio es una batería de iones de litio (Li-ion) que utiliza una solución salina concentrada como electrolito para facilitar la transferencia de iones de litio entre electrodos e inducir una corriente eléctrica . [1] A diferencia de las baterías de iones de litio no acuosas, las baterías de iones de litio acuosas no son inflamables y no presentan riesgos significativos de explosión, debido a la naturaleza de su electrolito a base de agua. También carecen de los productos químicos venenosos y de los riesgos ambientales asociados con sus homólogos no acuosos. [2] [3]
Actualmente, las baterías acuosas de iones de litio tienen un uso muy limitado debido a su estrecha ventana de estabilidad electroquímica (1,23 V). Cuando se construye utilizando métodos convencionales, una batería de Li-ion acuosa tiene una densidad de energía mucho menor que una batería de Li-ion no acuosa y sólo puede alcanzar un voltaje máximo de 1,5 voltios. Sin embargo, investigadores de la Universidad de Maryland (UMD) y el Laboratorio de Investigación del Ejército (ARL) hicieron posible que una batería acuosa de iones de litio permaneciera electroquímicamente estable a aproximadamente 3,0 voltios y resistiera daños externos severos en un grado que no está presente en baterías no convencionales. Baterías acuosas de iones de litio. [3]
El prototipo de la batería recargable acuosa de iones de litio fue propuesto por primera vez por Jeff Dahn en 1994, quien utilizó óxido de litio y manganeso como electrodo positivo y dióxido de vanadio en fase de bronce como electrodo negativo. [4] En 2014, un equipo de investigadores dirigido por Chunsheung Wang de la UMD y Kang Xu de ARL creó una nueva clase de electrolitos acuosos llamados electrolitos de agua en sal (WiSE) , que operaban bajo el principio de que una alta concentración de un Un tipo específico de sal de litio dio como resultado la formación de una interfase protectora de electrolito sólido (SEI) entre las superficies de los electrodos y el electrolito en las baterías a base de agua. Anteriormente se pensaba que este fenómeno sólo podía ocurrir en baterías no acuosas. [2] [3] Utilizando este enfoque para crear SEI, Wang y Xu disolvieron concentraciones extremadamente altas de bis(trifluorometanosulfonil)imida de litio (LiTFSI) en agua (molalidad > 20 m) para crear un WiSE que expandió la ventana de voltaje de 1,5 V. a alrededor de 3,0 V. [5] [6] Las baterías acuosas de iones de litio resultantes también eran capaces de realizar ciclos hasta 1000 veces con casi un 100 % de eficiencia coulómbica . [3]
En 2017, el equipo de investigación de Wang y Xu desarrolló un "aditivo no homogéneo" para recubrir el electrodo de grafito de su batería acuosa de iones de litio, lo que permitió que la batería alcanzara un umbral de 4 V y funcionara hasta 70 ciclos a ese nivel o más. [7] [8] El recubrimiento, creado utilizando un éter extremadamente hidrófobo y altamente fluorado (HFE), éter 1,1,2,2-tetrafluoroetil-2′,2′,2′-trifluoroetílico, expulsó moléculas de agua del electrodo. superficie. [1] [8] Esto minimiza la descomposición competitiva del agua y crea un ambiente favorable para que se forme SEI. Esta versión de la batería también demostró resistencia contra niveles extremos de abuso debido a la naturaleza de reacción lenta del SEI [3]. Cuando se sometió a cortes, perforaciones externas, exposición a agua salada y pruebas balísticas, la batería no produjo humo. o incendio y continuó funcionando incluso con daños externos severos. [6]
Las baterías acuosas de Li-ion han resultado de gran interés para uso militar debido a su seguridad y durabilidad. A diferencia de las baterías de iones de litio no acuosas de alto voltaje pero volátiles, las baterías de iones de litio acuosas tienen el potencial de servir como una fuente de energía más confiable en el campo de batalla, porque el daño externo a la batería no disminuiría el rendimiento ni provocaría que explotara. Además, son menos pesadas que las baterías tradicionales y pueden fabricarse en diferentes formas, lo que permite equipos más ligeros y una colocación más eficiente. [6]
El menor riesgo de peligro que conllevan las baterías acuosas de iones de litio las hace atractivas para las industrias que fabrican vehículos que priorizan la seguridad sobre la densidad de energía, como aviones y submarinos. [8]
La estrecha ventana de estabilidad electroquímica de las baterías acuosas de iones de litio sigue siendo el cuello de botella para el desarrollo de baterías acuosas de alta energía con un ciclo de vida prolongado y una seguridad infalible. [9] La electrólisis del agua ocurre fuera de la ventana de estabilidad causando la formación de gas oxígeno o hidrógeno. Mantener el voltaje de salida bajo evita la evolución de gas y promueve la estabilidad del ciclo; sin embargo, limita la densidad de energía y el uso de electrodos altamente reductores y altamente oxidantes. Por otro lado, la evolución continua de gas del agua durante el ciclo o el ralentí de la batería de alto voltaje reduce la eficiencia Coulombic (CE) y causa serios problemas de seguridad en caso de explosiones. [9]
Las baterías acuosas de iones de litio tienen una vida útil relativamente corta, que oscila entre 50 y 100 ciclos. A partir de 2018, se están realizando investigaciones para aumentar el número de ciclos de 500 a 1000 ciclos, lo que les permitirá competir de manera factible con otros tipos de baterías que tienen una mayor densidad de energía. Además, sería necesario resolver los problemas relacionados con la fabricación del revestimiento protector HFE antes de que se pueda ampliar la producción de las baterías para uso comercial. [8]