batería acuosa

Tipo de batería eléctrica

Una batería acuosa es una batería eléctrica que utiliza una solución a base de agua como electrolito . Las baterías acuosas se conocen desde la década de 1860, no tienen la densidad de energía ni el ciclo de vida requerido por el almacenamiento en red y los vehículos eléctricos , ^[1] pero se consideran seguras, confiables y económicas en comparación con las de iones de litio . ^[2] Hasta la década de 2010, también tenían una ventaja en aplicaciones de alta potencia (como herramientas eléctricas inalámbricas ), pero esto fue superado por los desarrollos en la química de iones de litio. ^[3]

Historia comercial

La batería de plomo-ácido fue inventada por Gaston Planté en 1859, aunque la comercialización del diseño del electrolito de ácido sulfúrico diluido requirió veinte años de trabajo por parte de múltiples inventores. Después de medio siglo más, en la década de 1930 aparecieron las modernas baterías reguladas por válvula ("selladas"). ^[1]

Las baterías alcalinas aparecieron por primera vez a principios del siglo XX y las baterías de níquel-cadmio fueron reemplazadas por una de níquel-hidruro metálico en la década de 1980 (la batería de níquel-hidrógeno se desarrolló en la década de 1970 y todavía se utiliza en los satélites ). ^[1]

A principios de la década de 2020, las pilas acuosas representaban la mitad del mercado de pilas recargables . ^[1]

Ventajas

En comparación con las baterías de iones de litio, las acuosas tienen las siguientes ventajas: ^{[2] [4] [5]}

• la seguridad y la confiabilidad están relacionadas con la no inflamabilidad (debido al alto contenido de agua; la batería aún puede explotar si se sobrecalienta), la alta tolerancia contra el mal manejo mecánico y la resistencia a la sobrecarga (debido al ciclo del oxígeno);
• el bajo costo se basa en materias primas baratas ( el ácido sulfúrico es muy económico en comparación con, digamos, el hexafluorofosfato de litio ), una fabricación que no requiere entornos libres de oxígeno, un mínimo de componentes electrónicos debido a su seguridad y confiabilidad inherentes;
• La velocidad de reacción rápida permite una carga y descarga más rápida y proporciona consistencia en todo el rango de temperatura.

Desventajas

En comparación con las baterías de iones de litio, tienen los siguientes inconvenientes: ^{[6] [4]}

• una ventana electroquímica estrecha : el agua comienza a electrolizarse al potencial de 1,23 voltios . Aunque una elección inteligente de materiales puede ampliar la ventana a 2,3 V y utilizar un electrolito de alta concentración (llamado electrolito de agua en sal) puede ampliar la ventana a 3 V, ^[7] en la práctica sólo las baterías de plomo-ácido alcanzan 2 V, con el resto de los diseños en producción limitados al potencial ligeramente por encima de 1 V, lo que limita en gran medida la densidad de energía (las celdas de iones de litio suelen entregar entre 3,3 y 3,9 V). Tanto la densidad de energía volumétrica como la de masa de las baterías de iones de litio son entre 2 y 3 veces mejores; ^[8]
• el agua, al ser un disolvente agresivo, provoca la solvatación y la disociación de los componentes de la batería y puede provocar corrosión , lo que limita la elección de materiales y la vida útil de la batería;
• El ciclo de vida es un orden de magnitud menor.

Investigación

Las baterías acuosas son objeto de una extensa investigación en el siglo XXI ^[5] (con un "asombroso" aumento de publicaciones desde 2015 ^[4] ); Las innovaciones materiales desde principios de siglo permiten un rendimiento mejor que el de las baterías acuosas "tradicionales" y podrían llevar a que estas baterías evolucionen hasta convertirse en compañeras de las de iones de litio en los campos del transporte y del almacenamiento de electricidad. ^[6]

Tahir et al. ^[9] identifican las siguientes direcciones de investigación:

• Batería acuosa de iones de litio (LIAB). El primer prototipo se produjo en 1994;
• batería acuosa de iones de sodio (SIAB);
• batería acuosa de iones de potasio (PIAB);
• batería acuosa de iones de zinc (ZIAB);
• batería acuosa de iones de magnesio (MIAB);
• Batería acuosa de iones de aluminio (AIAB).

Referencias

1. Liang y Yao 2022, pag. 110.
2. Liang y Yao 2022, pag. 111.
3. Pistola 2013, págs. 33-34.
4. Chao y col. 2020, pág. 1.
5. Tahir, Agarwal y Csóka 2020, p. 379.
6. Liang y Yao 2022, pag. 112.
7. Suo, Liumin; Borodin, Oleg; Gao, Tao; Olguín, Marco; Hola, Janet; Fan, Xiulin; Luo, Chao; Wang, Chunsheng; Xu, Kang (20 de noviembre de 2015). "El electrolito de "agua en sal" permite la química acuosa de iones de litio de alto voltaje". Science . 350 (6263): 938–943. doi :10.1126/science.aab1595.
8. Pistola 2013, pag. 33.
9. Tahir, Agarwal y Csóka 2020.

Fuentes

• Liang, Yanliang; Yao, Yan (15 de noviembre de 2022). "Diseño de baterías acuosas modernas". Materiales de reseñas de la naturaleza . 8 (2): 109–122. doi :10.1038/s41578-022-00511-3. eISSN  2058-8437.
• Chao, Dongliang; Zhou, Wanhai; Xie, Fangxi; Sí, Chao; Li, Huan; Jaroniec, Mietek; Qiao, Shi-Zhang (22 de mayo de 2020). "Hoja de ruta para baterías acuosas avanzadas: del diseño de materiales a las aplicaciones". Avances científicos . 6 (21). doi :10.1126/sciadv.aba4098. eISSN  2375-2548. PMC  7244306 . PMID  32494749.
• Tahir, Chenar A.; Agarwal, Charu; Csóka, Levente (13 de abril de 2020). "Avances en baterías de iones" verdes "que utilizan electrolitos acuosos". Baterías recargables: historia, avances y aplicaciones . Wiley. págs. 379–401. doi :10.1002/9781119714774.ch16.
• Pistola, G. (20 de mayo de 2013). "Dispositivos portátiles: baterías". En Jürgen Garche; Chris K. Dyer; Patrick T. Moseley; Zempachi Ogumi; David AJ Rand; Bruno Scrosati (eds.). Enciclopedia de fuentes de energía electroquímicas . Newnes. pag. 33.ISBN​ 978-0-444-52745-5. OCLC  1136567377.