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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 se oxida el ánodo de metal .

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

Tipos por elemento de ánodo

Litio

La densidad de energía notablemente alta del litio metálico (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 , mixtos acuosos/apróticos y de estado sólido, y todos ellos ofrecen sus propias ventajas y desventajas. [5] No obstante, la eficiencia de las baterías de litio-aire todavía 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 baterías de litio-aire, el ion superóxido (O 2 − ) formado reaccionará con el electrolito u otros componentes de la celda y evitará que la batería sea recargable. [7]

Sodio

Las baterías de sodio-aire se propusieron con la esperanza de superar la inestabilidad de las baterías asociada con el superóxido en las baterías de litio-aire. El sodio , con una densidad energética de 1605 Wh/kg, no cuenta con una densidad energética tan alta como el litio. Sin embargo, puede formar un superóxido estable (NaO 2 ) en lugar de que el superóxido sufra reacciones secundarias perjudiciales. Dado que el NaO 2 se descompondrá reversiblemente hasta cierto punto en 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 las baterías 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 fotográficas.

Magnesio

Actualmente se están estudiando una variedad de químicas metal-aire . La deposición homogénea de Mg metálico 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 . Sin embargo, 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 informado baterías de calcio-aire (O 2 ). [15] [16]

Aluminio

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

Se han utilizado baterías de aluminio-aire para prototipos de coches eléctricos, uno de los cuales afirma tener una autonomía de 2.000 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 aviones eléctricos, donde siempre se requiere plena potencia en caso de aterrizajes de emergencia. Debido a que no es necesario llevar un ánodo metálico aparte, a la baja densidad natural del aluminio y a la alta densidad de energía de las baterías de aluminio-aire, las baterías son muy ligeras, lo que también resulta beneficioso para la aviación eléctrica. La escala de los aeropuertos también podría permitir el reciclaje de ánodos in situ, lo que no sería factible para los automóviles, donde se necesitan 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 la de litio. Otro factor es que ya existen plantas de reciclaje de aluminio, mientras que las plantas de reciclaje de litio apenas están empezando a surgir y volverse 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 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 mediante la reacción de reducción/oxidación (redox) Fe/FeO (Fe + H 2 O ⇌ FeO + H 2 ). [20] En combinación con una pila 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 procedente 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 en que el sistema puede comenzar 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 generar electricidad. Cuando es necesario almacenar electricidad, el hidrógeno generado a partir del agua al operar 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 limitan la capacidad de lograr un gran número de ciclos, lo que da como resultado una capacidad disminuida. Otros métodos actualmente bajo investigación, como la impresión 3D [22] y la congelación , [23] [24] buscan permitir la creación de materiales arquitectónicos que permitan grandes cambios de superficie y volumen durante la reacción redox.

Comparación

Ver también

Notas

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

Referencias

  1. ^ "Aire metálico". 27 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 27 de diciembre de 2010.
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