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Celda electroquímica metal-aire

Una celda electroquímica de metal-aire es una celda electroquímica que utiliza un ánodo hecho de metal puro y un cátodo externo de aire ambiente, generalmente con un electrolito acuoso o aprótico . [1] [2]

Durante la descarga de una celda electroquímica de metal-aire, se produce una reacción de reducción en el cátodo de aire ambiente mientras el ánodo de metal se oxida .

La capacidad específica y la densidad energética de las celdas electroquímicas de metal-aire son mayores que las de las baterías de iones de litio , lo que las convierte en candidatas principales para su uso en vehículos eléctricos . Si bien existen algunas aplicaciones comerciales, las complicaciones asociadas con los ánodos metálicos, los catalizadores y los electrolitos han obstaculizado el desarrollo y la implementación de las baterías de metal-aire. [3] [4]

Tipos por elemento anódico

Litio

La densidad energética notablemente alta del metal de litio (hasta 3458 Wh/kg) inspiró el diseño de las baterías de litio-aire. Una batería de litio-aire consta de un electrodo de litio sólido, un electrolito que rodea este electrodo y un electrodo de aire ambiente que contiene oxígeno. Las baterías de litio-aire actuales se pueden dividir en cuatro subcategorías según el electrolito utilizado y la arquitectura electroquímica posterior de la celda. Estas categorías de electrolitos son apróticos, acuosos , acuosos/apróticos mixtos y de estado sólido, todas las cuales ofrecen sus propias ventajas y desventajas distintivas. [5] No obstante, la eficiencia de las baterías de litio-aire aún está limitada por la descarga incompleta en el cátodo, el sobrepotencial de carga que excede el sobrepotencial de descarga y la estabilidad de los componentes. [6] Durante la descarga de las baterías de litio-aire, el ion superóxido (O 2 − ) formado reaccionará con el electrolito u otros componentes de la celda e impedirá que la batería sea recargable. [7]

Sodio

Las baterías de sodio-aire se propusieron con la esperanza de superar la inestabilidad de la batería asociada con el superóxido en las baterías de litio-aire. El sodio , con una densidad energética de 1605 Wh/kg, no tiene una densidad energética tan alta como el litio. Sin embargo, puede formar un superóxido estable (NaO2 ) en lugar de que el superóxido experimente reacciones secundarias perjudiciales. Dado que el NaO2 se descompondrá de manera reversible hasta cierto punto hasta los componentes elementales, esto significa que las baterías de sodio-aire tienen cierta capacidad intrínseca para ser recargables. [8] Las baterías de sodio-aire solo pueden funcionar con electrolitos apróticos anhidros. Cuando se estabilizó un electrolito DMSO con trifluorometanosulfonimida de sodio, se obtuvo la mayor estabilidad cíclica de una batería de sodio-aire (150 ciclos). [9]

Potasio

También se propusieron baterías de potasio-aire con la esperanza de superar la inestabilidad de la batería asociada con el superóxido en las baterías de litio-aire. Si bien solo se han logrado dos o tres ciclos de carga y descarga con baterías de potasio-aire, ofrecen una diferencia de sobrepotencial excepcionalmente baja de solo 50 mV. [10]

Zinc

Las pilas de zinc-aire se utilizan en audífonos y cámaras de cine.

Magnesio

Actualmente se están estudiando diversas químicas de metal-aire. La deposición homogénea del metal Mg hace que los sistemas Mg-aire sean interesantes. [11] [12] [13] Sin embargo, las baterías acuosas de Mg-aire están seriamente limitadas por la disolución del electrodo de Mg. Se ha recomendado el uso de varios electrolitos acuosos iónicos en dispositivos de magnesio-aire . No obstante, la fragilidad electroquímica los afecta a todos. [14] Sin embargo, la reversibilidad de la celda es limitada y especialmente visible durante la recarga . [14]

Calcio

Se han descrito baterías de calcio-aire (O 2 ). [15] [16]

Aluminio

Las baterías de aluminio-aire tienen la mayor densidad energética de cualquier otra batería, con una densidad energética máxima teórica de 6-8 kWh/kg, sin embargo, a partir de 2003 , se ha alcanzado un máximo de solo 1,3 kWh/kg. Las celdas de las baterías de aluminio no son recargables, por lo que se deben instalar nuevos ánodos de aluminio para seguir obteniendo energía de la batería, lo que hace que su uso sea costoso y se limite principalmente a aplicaciones militares. [17]

Las baterías de aluminio-aire se han utilizado para prototipos de coches eléctricos, uno de los cuales afirma tener una autonomía de 2000 km con una sola carga, pero ninguna ha estado disponible para el público. Sin embargo, las baterías de aluminio-aire mantienen un voltaje y una potencia de salida estables hasta que se agotan, lo que podría hacerlas útiles para los aviones eléctricos, donde siempre se requiere plena potencia en caso de aterrizajes de emergencia. Debido a que no es necesario llevar un ánodo metálico separado, la baja densidad natural del aluminio y la alta densidad energética de las baterías de aluminio-aire, las baterías son muy ligeras, lo que también es beneficioso para la aviación eléctrica. La escala de los aeropuertos también podría permitir el reciclaje in situ de los ánodos, lo que no sería factible para los coches, donde son necesarias muchas estaciones pequeñas. [18]

Las baterías de aluminio-aire son mejores para el medio ambiente en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio. El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre, por lo que las minas no tendrían que ser tan invasivas para encontrar una cantidad similar de aluminio en comparación con el litio. Otro factor es que ya existen plantas de reciclaje de aluminio, mientras que las plantas de reciclaje de litio están recién comenzando a surgir y a ser rentables. El aluminio es mucho más económico de reciclar con la tecnología actual. [18]

Hierro

Las baterías recargables de hierro-aire son una tecnología atractiva con el potencial de almacenamiento de energía a escala de red . La principal materia prima de esta tecnología es el óxido de hierro ( óxido ), un material abundante, no tóxico, económico y respetuoso con el medio ambiente. [19] La mayoría de las baterías que se están desarrollando actualmente utilizan polvos de óxido de hierro para generar y almacenar hidrógeno a través de la reacción de reducción/oxidación (redox) de Fe/FeO (Fe + H 2 O ⇌ FeO + H 2 ). [20] En conjunción con una celda de combustible , esto permite que el sistema se comporte como una batería recargable, creando H 2 O/H 2 a través de la producción y el consumo de electricidad. [21] Además, esta tecnología tiene un impacto ambiental mínimo, ya que podría usarse para almacenar energía de fuentes de energía intermitentes o variables , como la solar y la eólica, desarrollando un sistema energético con bajas emisiones de dióxido de carbono.

Una forma de poner en marcha el sistema es mediante la reacción redox Fe/FeO. El hidrógeno creado durante la oxidación del hierro y del oxígeno del aire puede ser consumido por una pila de combustible para crear electricidad. Cuando es necesario almacenar electricidad, el hidrógeno generado a partir del agua haciendo funcionar la pila de combustible en sentido inverso se consume durante la reducción del óxido de hierro a hierro metálico. [20] [21] La combinación de ambos ciclos es lo que hace que el sistema funcione como una batería recargable de hierro-aire.

Las limitaciones de esta tecnología provienen de los materiales utilizados. Generalmente, se seleccionan lechos de polvo de óxido de hierro; sin embargo, la rápida sinterización y pulverización de los polvos limita la capacidad de lograr un alto número de ciclos , lo que resulta en una capacidad disminuida. Otros métodos actualmente en investigación, como la impresión 3D [22] y la fundición por congelación [23] [24] buscan permitir la creación de materiales de arquitectura que permitan grandes cambios de área superficial y volumen durante la reacción redox.

Comparación

Véase también

Notas

  1. ^ Calculado a partir del valor de densidad de energía específica (incluido el oxígeno) y los datos de peso atómico de 39,1 y 16 para K y O respectivamente para KO 2

Referencias

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  2. ^ "Baterías de metal-aire de litio, aluminio, zinc y carbono" (PDF) . Consultado el 4 de abril de 2013 .
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