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Baterías de litio-aire a prueba de agua
Una empresa con sede en Berkeley, CA, está desarrollando baterías ligeras de alta energía que pueden utilizar el aire circundante como cátodo. PolyPlus se está asociando con una empresa de fabricación para desarrollar baterías de metal-aire de litio de un solo uso para el gobierno, y espera que estas baterías estén en el mercado dentro de unos años. La compañía también tiene baterías recargables de metal-aire de litio en las primeras etapas de desarrollo que eventualmente podrían alimentar vehículos eléctricos que pueden durar más tiempo entre cargas.
El poder del agua : Un prototipo de batería fabricado por PolyPlus utiliza metal de litio como ánodo y agua salada como cátodo para alimentar un LED. A medida que la batería se descarga, los iones de litio se difunden en el agua, pero el dispositivo no daña al pez payaso que lo rodea.
El interés en las baterías de litio-metal-aire ha aumentado en los últimos años, junto con la demanda de fuentes de energía más livianas para dispositivos que van desde vehículos híbridos enchufables hasta computadoras portátiles. En las baterías de iones de litio, los electrodos están hechos de materiales como el grafito, mientras que en una batería de metal de litio, el ánodo está hecho completamente de metal de litio y el aire circundante puede actuar como cátodo.
Las baterías de metal de litio se acercan a la densidad de energía de las celdas de combustible sin la tubería necesaria para estos dispositivos; en teoría, la densidad máxima de energía es de más de 5.000 vatios-hora por kilogramo, o más de 10 veces la de las baterías de iones de litio actuales. Las baterías de litio metal-aire también son muy livianas porque no es necesario llevar un segundo reactivo. El metal de litio es el material de la batería del santo grial, dice Steven Visco, director técnico y fundador de PolyPlus.
IBM anunció recientemente que desarrollaría baterías de aire y metal de litio para la red de energía y para el transporte. El ion de litio es el estándar de oro, pero lo que puede vencerlo es el metal de litio, dice Paul Beach , presidente del fabricante de baterías Quallion de Sylmar, CA.
Sin embargo, el uso de metal de litio como electrodo de batería ha resultado problemático, principalmente porque el material reacciona rápida y violentamente con el agua. La gente ha pensado en las baterías de litio-aire durante décadas, pero siempre hay agua en el aire, dice Visco. La exposición incluso a trazas de agua degrada rápidamente el material.
PolyPlus ha resuelto este problema desarrollando lo que la empresa llama un electrodo de litio protegido. El dispositivo consta de una pieza plana y rectangular de metal de litio superpuesta a cada lado con un material electrolítico cerámico llamado lisicon. El electrolito sólido es impermeable al agua pero deja pasar los iones de litio. Otro recubrimiento protege al electrolito de reaccionar con el metal de litio. Y finalmente, los bordes del dispositivo están sellados con un laminado de polímero de aluminio similar a una bolsa de papas fritas. El laminado proporciona un sello hermético y es flexible, por lo que no crea ninguna tensión cuando el electrodo se encoge con el uso.
Cuando el electrodo de litio-metal se coloca en agua, los iones de litio se escapan y reaccionan con el oxígeno disuelto en el agua o con el agua misma. Para fabricar una batería de litio metal-aire, el dispositivo está equipado con un electrodo de difusión de gas similar a los que se utilizan para las baterías de zinc metal-aire para audífonos. Cuando se enciende la batería, el electrodo atrae oxígeno a través de la membrana para reaccionar con los iones de litio. Pero, a diferencia de las pilas de los audífonos, estos dispositivos no se descargan automáticamente con el tiempo. Puede dejar la batería en el estante durante meses y esperar que funcione porque la membrana la protege, dice Visco. Y debido a que se basan en metal de litio de alta energía, estas baterías duran mucho más y son más livianas que las baterías de zinc-aire.
PolyPlus está probando baterías de agua de mar y metal de litio junto con el Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey para determinar si pueden soportar condiciones de trabajo reales. Una preocupación es que los microorganismos en el océano crecerán en la superficie de las baterías y perjudicarán su funcionamiento, aunque las pruebas preliminares han dado buenos resultados.
Las baterías de un solo uso fabricadas por la empresa emplean una pieza de metal de litio de unos dos centímetros cuadrados y tres milímetros de grosor; tienen una capacidad de almacenamiento cercana a la de las baterías de iones de litio de las computadoras portátiles actuales con un peso de una quinta parte. La empresa se ha asociado con el fabricante de baterías. Quallion para producir baterías basadas en los diseños de electrodos de PolyPlus y fabricará baterías bajo contrato para una agencia gubernamental no divulgada. Quallion dice que los electrodos de metal de litio se pueden procesar utilizando gran parte de la infraestructura ya existente para fabricar baterías de iones de litio. Se necesitan ciertas precauciones para manipular el material, pero no hay trucos, dice Beach.
Las baterías de metal de litio tienen el potencial de ser transformadoras para aplicaciones submarinas, dice James Bellingham , el tecnólogo jefe del Monterey Bay Aquarium Research Institute. La mayor parte de la investigación oceánica se lleva a cabo cerca de la costa porque, como dice Bellingham, en el océano no hay enchufes para recargar las naves autónomas cargadas de sensores que monitorean los mares. Las baterías de mayor densidad de energía podrían permitir un seguimiento mucho mejor de los efectos del cambio climático en el planeta, dice Bellingham.