Hacia una nueva generación de baterías recargables
Un mediador redox mejora el rendimiento y la vida útil de las baterías Li-O2
Las baterías de litio-aire tienen el potencial de superar a las convencionales de iones de litio al almacenar mucha más energía con el mismo peso. Sin embargo, hasta ahora sus valores de alto rendimiento han sido teóricos y su vida útil sigue siendo demasiado corta. Un equipo chino ha propuesto ahora añadir un catalizador soluble al electrolito. Éste actúa como mediador redox que facilita el transporte de carga y contrarresta la pasivación de los electrodos.
A diferencia de las baterías de iones de litio, en las que los iones de litio son "empujados" de un lado a otro entre dos electrodos, las baterías de litio-aire (Li-O2) utilizan un ánodo de litio metálico. A medida que se utiliza la batería, los iones de litio cargados positivamente se disuelven y pasan al cátodo poroso, por el que circula aire. El oxígeno se oxida y se convierte en peróxido de litio (Li2O2). Al cargarse, el oxígeno se libera y los iones de litio se reducen de nuevo a litio metálico, que vuelve a depositarse en el ánodo. Por desgracia, el alto rendimiento teórico de este tipo de baterías no se ha hecho realidad.
En la práctica, un efecto conocido como sobrepotencial ralentiza las reacciones electroquímicas: la formación y descomposición del Li2O2 insoluble son lentas y su conductividad también es muy baja. Además, los poros del cátodo tienden a obstruirse, y el alto potencial necesario para la formación de oxígeno descompone el electrolito y favorece reacciones secundarias indeseables. Esto hace que las baterías pierdan la mayor parte de su rendimiento tras unos pocos ciclos de carga y descarga.
Un equipo dirigido por Zhong-Shuai Wu, del Instituto de Física Química de Dalian de la CAS, en colaboración con Xiangkun Ma, de la Universidad Marítima de Dalian, ha propuesto ahora la adición de una novedosa sal de yoduro de imidazol (yoduro de 1,3-dimetilimidazolio, DMII) que actúa como catalizador y mediador redox para mejorar el rendimiento y la vida útil.
Los iones yoduro (I-) de la sal pueden reaccionar fácilmente para formar I3- y viceversa (par redox). En este proceso, transfieren electrones al oxígeno (descarga) y los vuelven a tomar (carga). Este transporte de carga facilitado acelera las reacciones, reduce el sobrepotencial del cátodo y aumenta la capacidad de descarga de la célula electroquímica. Los iones DMI+ de la sal contienen un anillo formado por tres átomos de carbono y dos de nitrógeno. Este anillo tiene electrones libremente móviles y puede "capturar" iones de litio durante la descarga y transferirlos eficazmente al oxígeno del cátodo. Además, los iones DMI+ forman una película de interfaz ultrafina pero muy estable en el ánodo, que impide el contacto directo entre el electrolito y la superficie de litio, minimizando la descomposición del electrolito y evitando reacciones secundarias. Esto estabiliza el ánodo y aumenta la vida útil de la batería.
Las celdas de prueba electroquímicas producidas por el equipo resultaron muy prometedoras, demostrando un sobrepotencial muy bajo (0,52 V), una elevada estabilidad de ciclo durante 960 horas y una formación/descomposición altamente reversible del Li2O2 sin reacciones secundarias.
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Publicación original
Jing Liu, Yuejiao Li, Yajun Ding, Lisha Wu, Jieqiong Qin, Tongle Chen, Caixia Meng, Feng Zhou, Xiangkun Ma, Zhong‐Shuai Wu; "A Bifunctional Imidazolyl Iodide Mediator of Electrolyte Boosts Cathode Kinetics and Anode Stability Towards Low Overpotential and Long‐Life Li‐O2 Batteries"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-1-14