Una celda electroquímica de metal-aire es una celda electroquímica que utiliza un ánodo hecho de metal puro y un cátodo externo de aire ambiental, 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 ambiental mientras que el ánodo de metal se oxida . La capacidad específica y la densidad de energía de las celdas electroquímicas de metal-aire es más alta que la de las baterías de iones de litio , lo que las convierte en un candidato principal para su uso en vehículos eléctricos.. Sin embargo, 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] aunque existen algunas aplicaciones comerciales.
Tipos
Batería de metal-aire | Energía específica teórica, Wh / kg (incluido oxígeno) | Energía específica teórica, Wh / kg (excluyendo oxígeno) | Voltaje de circuito abierto calculado, V |
---|---|---|---|
Aluminio – aire | 4300 [5] | 8140 [6] | 1.2 |
Germanio –aire | 1480 | 7850 | 1 |
Calcio-aire | 2990 | 4180 | 3.12 |
Hierro –aire | 1431 | 2044 | 1.3 |
Litio – aire | 5210 | 11140 | 2,91 |
Magnesio – aire | 2789 | 6462 | 2,93 |
Potasio – aire | 935 [7] [8] | 1700 [Nota 1] | 2,48 [7] [8] |
Sodio –aire | 1677 | 2260 | 2.3 [9] [10] |
Silicio – aire | 4217 | 9036 | 1.6 [11] |
Estaño –aire a 1000 K [12] | 860 | 6250 | 0,95 |
Zinc – aire | 1090 | 1350 | 1,65 |
Litio – aire
La densidad de energía 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 ambiental que contiene oxígeno. Las baterías de litio-aire actuales se pueden dividir en cuatro subcategorías según el electrolito utilizado y la posterior arquitectura de la celda electroquímica. Estas categorías de electrolitos son aprótico, acuoso , mixto acuoso / aprótico y estado sólido, todos los cuales ofrecen sus propias ventajas y desventajas. [13] 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. [14] 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 y evitará que la batería se recargue. [15]
Sodio-aire
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 (NaO 2 ) en oposición al superóxido que sufre reacciones secundarias perjudiciales. Dado que el NaO 2 se descompondrá de manera reversible en cierta medida en los componentes elementales, esto significa que las baterías de sodio-aire tienen cierta capacidad intrínseca para ser recargables. [16] Las baterías de sodio-aire solo pueden funcionar con electrolitos apróticos y anhidros. Cuando se estabilizó un electrolito de DMSO con trifluorometanosulfonimida de sodio, se obtuvo la mayor estabilidad cíclica de una batería de sodio-aire (150 ciclos). [17]
Potasio – aire
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-descarga con las baterías de potasio-aire, ofrecen una diferencia de sobrepotencial excepcionalmente baja de solo 50 mV. [18]
Zinc – aire
Las pilas de zinc-aire se utilizan para audífonos y cámaras de película.
Magnesio – aire
Calcio-aire
- Se ha informado sobre baterías de calcio-aire (O 2 ). [19] [20]
Aluminio – aire
Hierro – aire
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 (herrumbre), que es abundante, no tóxico, económico y respetuoso con el medio ambiente. [21] La mayoría de las baterías que se están desarrollando en este momento utilizan óxido de hierro (principalmente polvos) para generar / almacenar hidrógeno a través de la reacción de oxidación / reducción de Fe / FeO (redox) (Fe + H 2 O ⇌ FeO + H 2 ). [22] Junto con una pila de combustible, esto permite que el sistema se comporte como una batería recargable que crea H 2 O / H 2 a través de la producción / consumo de electricidad. [23] Además, esta tecnología tiene un impacto ambiental mínimo ya que podría utilizarse para almacenar energía de fuentes de energía solar y eólica intermitentes, desarrollando un sistema energético con bajas emisiones de dióxido de carbono.
La forma en que funciona el sistema puede comenzar utilizando la reacción redox Fe / FeO, luego el hidrógeno creado durante la oxidación del hierro puede ser consumido por una celda de combustible junto con el oxígeno del aire para generar electricidad. Cuando se debe almacenar electricidad, el hidrógeno generado a partir del agua al operar la celda de combustible al revés se consume durante la reducción del óxido de hierro a hierro metálico. [22] [23] 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 sinterización y la pulverización rápidas de los polvos limitan la capacidad de lograr un gran número de ciclos dando como resultado una capacidad menor. Otros métodos actualmente en investigación, como la impresión 3D [24] y la fundición por congelación , [25] [26] buscan permitir la creación de materiales de arquitectura para permitir cambios de volumen y área de superficie elevados durante la reacción redox.
Silicio – aire
Ver también
- Batería de litio-azufre
Notas
- ^ Calculado a partir del valor de densidad de energía específica (incluido el oxígeno) y 39,1 y 16 datos de peso atómico para K y O respectivamente para KO 2 .
Referencias
- ^ "Aire de metal" . 27 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 27 de diciembre de 2010 .
- ^ "Baterías de metal-aire de litio, aluminio, zinc y carbono" (PDF) . Consultado el 4 de abril de 2013 .
- ^ Li, Y .; Lu, J. (2017). "Baterías de metal-aire: ¿Serán el dispositivo preferido de almacenamiento de energía electroquímica del futuro?" . Letras de energía ACS . 2 (6): 1370-1377. doi : 10.1021 / acsenergylett.7b00119 . OSTI 1373737 .
- ^ Zhang, X .; Wang, X .; Xie, Z .; Zhou, Z. (2016). "Avances recientes en baterías de aire y metales alcalinos recargables" . Energía verde y medio ambiente . 1 (1): 4–17. doi : 10.1016 / j.gee.2016.04.004 .
- ^ "Baterías Metal-Aire Recargables Eléctricamente (ERMAB)" . Archivado desde el original el 3 de marzo de 2016 . Consultado el 25 de marzo de 2012 .
- ^ "Baterías para concentradores de oxígeno" . NASA.gov . Archivado desde el original el 26 de febrero de 2014.
- ^ a b Wu, Yiying; Ren, Xiaodi (2013). "Una batería de oxígeno de potasio de bajo sobrepotencial basada en superóxido de potasio" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (8): 2923–2926. doi : 10.1021 / ja312059q . PMID 23402300 .
- ^ a b Ren, Xiaodi; Wu, Yiying (2013). "Una batería de oxígeno de potasio de bajo sobrepotencial basada en superóxido de potasio". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (8): 2923–2926. doi : 10.1021 / ja312059q . PMID 23402300 .
- ^ Sun, Qian (2012). "Propiedades electroquímicas de las baterías de sodio-aire a temperatura ambiente con electrolito no acuoso". Comunicaciones electroquímicas . 16 : 22-25. doi : 10.1016 / j.elecom.2011.12.019 .
- ^ "BASF investiga las baterías de sodio-aire como alternativa al Li-aire; solicitud de patente presentada ante la USPTO" . Congreso de coches ecológicos .
- ^ Durmus, YE; Aslanbas, O .; Kayser, S .; Tempel, H .; Hausen, F .; de Haart, LGJ; Granwehr, J .; Ein-Eli, Y .; Eichel, R.-A .; Kungl, H. (2017). "Descarga a largo plazo, rendimiento y eficiencia de celdas primarias de silicio-aire con electrolito alcalino". Electrochimica Acta . 225 : 215-224. doi : 10.1016 / j.electacta.2016.12.120 .
- ^ Ju, HyungKuk; Lee, Jaeyoung (2015). "Célula de almacenamiento de energía de Sn – aire líquido a alta temperatura" . Revista de química energética . 24 (5): 614–619. doi : 10.1016 / j.jechem.2015.08.006 .
- ^ Girishkumar, G .; McCloskey, B .; Luntz, C .; Swanson, S .; Wilcke, W. (2010). "Batería de litio-aire: promesa y desafíos". La Revista de Cartas de Química Física . 1 (14): 2193–2203. doi : 10.1021 / jz1005384 .
- ^ Kraytsberg, Alexander; Ein-Eli, Yair (2011). "Revisión sobre baterías de Li-aire: oportunidades, limitaciones y perspectiva". Revista de fuentes de energía . 196 (3): 886–893. Código Bibliográfico : 2011JPS ... 196..886K . doi : 10.1016 / j.jpowsour.2010.09.031 .
- ^ Zyga, Lisa. "La batería de sodio-aire ofrece ventajas recargables en comparación con las baterías de Li-aire" . Phys.org . Consultado el 1 de marzo de 2018 .
- ^ Hartmann, P .; Bender, C .; Vracar, M .; Durr, A .; Garsuch, A .; Janek, J .; Adelhelm, P. (2012). "Una batería de superóxido de sodio (NaO2) recargable a temperatura ambiente". Cartas de materiales naturales . 12 (1): 228–232. Código bibliográfico : 2013NatMa..12..228H . doi : 10.1038 / NMAT3486 . PMID 23202372 .
- ^ Él, M .; Lau, K .; Ren, X .; Xiao, N .; McCulloch, W .; Curtiss, L .; Wu, Y. (2016). "Electrolito concentrado para la batería de sodio-oxígeno: estructura de solvatación y vida útil mejorada" . Angewandte Chemie . 55 (49): 15310-15314. doi : 10.1002 / anie.201608607 . OSTI 1352612 . PMID 27809386 .
- ^ Ren, X .; Wu, Y. (2013). "Una batería de oxígeno de potasio de bajo sobrepotencial basada en superóxido de potasio". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (8): 2923–2926. doi : 10.1021 / ja312059q . PMID 23402300 .
- ^ Shiga, Tohru; Kato, Yuichi; Hase, Yoko (27 de junio de 2017). "Acoplamiento de radical nitroxilo como un catalizador de carga electroquímica y líquido iónico para el revestimiento / decapado de calcio hacia una batería recargable de calcio-oxígeno" . Diario de Química de los Materiales A . 5 (25): 13212-13219. doi : 10.1039 / C7TA03422A . ISSN 2050-7496 .
- ^ Reinsberg, Philip; Bondue, Christoph J .; Baltruschat, Helmut (6 de octubre de 2016). "Baterías de calcio y oxígeno como una alternativa prometedora a las baterías de sodio y oxígeno" . El Diario de la Química Física C . 120 (39): 22179–22185. doi : 10.1021 / acs.jpcc.6b06674 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Narayanan, SR; Prakash, GK Surya; Manohar, A .; Yang, Bo; Malkhandi, S .; Kindler, Andrew (28 de mayo de 2012). "Desafíos de materiales y enfoques técnicos para la realización de baterías de hierro-aire económicas y robustas para el almacenamiento de energía a gran escala". Iónicos de estado sólido . "Conversión de pilas de combustible-energía" Actas del Simposio X Reunión de primavera de EMRS 2011 CONFERENCIA BILATERAL E-MRS / MRS sobre ENERGÍA ", celebrada en la REUNIÓN DE PRIMAVERA DE E-MRS 2011 IUMRS ICAM 2011. 216 : 105–109. Doi : 10.1016 / j. ssi.2011.12.002 .
- ^ a b Requies, J .; Güemez, MB; Gil, S. Pérez; Barrio, VL; Cambra, JF; Izquierdo, U .; Arias, PL (19 de abril de 2013). "Óxidos de hierro naturales y sintéticos para almacenamiento y depuración de hidrógeno". Revista de ciencia de materiales . 48 (14): 4813–4822. Código Bib : 2013JMatS..48.4813R . doi : 10.1007 / s10853-013-7377-7 . ISSN 0022-2461 .
- ^ a b Ju, Young-Wan; Ida, Shintaro; Inagaki, Toru; Ishihara, Tatsumi (1 de agosto de 2011). "Comportamiento de reoxidación del sustrato de ánodo bimetálico de Ni-Fe en celdas de combustible de óxido sólido utilizando un electrolito de película delgada a base de LaGaO3". Revista de fuentes de energía . 196 (15): 6062–6069. Código Bibliográfico : 2011JPS ... 196.6062J . doi : 10.1016 / j.jpowsour.2011.03.086 .
- ^ Jakus, Adam E .; Taylor, Shannon L .; Geisendorfer, Nicholas R .; Dunand, David C .; Shah, Ramille N. (1 de diciembre de 2015). "Arquitecturas metálicas de tintas líquidas en polvo impresas en 3D". Materiales funcionales avanzados . 25 (45): 6985–6995. doi : 10.1002 / adfm.201503921 . ISSN 1616-3028 .
- ^ Sepúlveda, Ranier; Plunk, Amelia A .; Dunand, David C. (1 de marzo de 2015). "Microestructura de andamios de Fe2O3 creados por congelación y sinterización". Materiales Cartas . 142 : 56–59. doi : 10.1016 / j.matlet.2014.11.155 .
- ^ Durán, P .; Lachén, J .; Plou, J .; Sepúlveda, R .; Herguido, J .; Peña, JA (16 de noviembre de 2016). "Comportamiento del óxido de hierro fundido por congelación para la depuración de corrientes de hidrógeno mediante proceso de vapor-plancha". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . V Simposio Ibérico de Hidrógeno, Pilas de Combustible y Baterías Avanzadas (HYCELTEC 2015), 5-8 de julio de 2015, Tenerife, España. 41 (43): 19518-19524. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2016.06.062 .
enlaces externos
- Batería de aire-metal de alta temperatura