Científicos del departamento de química y del Centro de Grafeno de la Universidad de Cambridge han logrado superar en laboratorio muchas de las barreras en el desarrollo de baterías de litio-aire. Sus resultados ocupan hoy la portada de la revista Science.

El equipo, liderado por Tao Liu, ha desarrollado un prototipo de batería de litio-oxígeno (o litio-aire) de muy alta densidad energética –con un 90% de eficiencia– y que puede recargarse más de 2.000 veces.

Densidad energética diez veces mayor

Este tipo de baterías son consideradas como las baterías del futuro, debido a su densidad de energía teórica, que es diez veces mayor que la de una de iones de litio. Esta alta densidad energética es comparable a la de la gasolina y, según los autores del trabajo, permitiría que un coche eléctrico pudiera hacer la ruta de Londres a Edimburgo con una sola carga.

La futura generación de estas baterías permitiría alargar durante días el funcionamiento de los smartphones sin necesidad de recargarlos

Las tecnologías que usamos a diario son más pequeñas, rápidas y baratas cada año, con excepción de las baterías. La futura generación de estas baterías permitiría, por ejemplo, alargar durante días el funcionamiento de los smartphones sin necesidad de recargarlos. Pero hay dos retos más importantes que podrían mejorar con el avance en esta área de investigación: los vehículos eléctricos y la red de almacenamiento a gran escala de la energía solar.

"En su forma más simple, las baterías están hechas de tres componentes: un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito'', dice Liu Tao, autor principal del trabajo. “En las baterías ion de litio (Li-ion) que utilizamos en nuestros ordenadores portátiles y teléfonos inteligentes, el electrodo negativo es de grafito, el positivo está hecho de un óxido de metal, como óxido de litio cobalto, y el electrolito es una sal de litio disuelta en un disolvente orgánico. La acción de la batería depende del movimiento de los iones de litio entre los electrodos. Las baterías de iones de litio se deterioran con el tiempo y sus densidades de energía, relativamente bajas, implican que necesitan ser recargadas con frecuencia”, agrega.

Las baterías de litio-aire son consideradas lo último en almacenamiento y la solución a estos problemas. Sin embargo, en anteriores intentos, los prototipos habían tenido una tasa de rendimiento pobre, reacciones químicas no deseadas, y solo podía funcionar con oxígeno puro.

Los elementos clave han sido la adición de yoduro de litio, que disminuye la resistencia dentro de la batería, y de óxido de grafeno macroporoso como electrodo

Sin embargo, hasta ahora había demasiadas dificultades para su desarrollo. Su diseño implica un electrodo negativo de metal de litio, un electrolito no acuoso y un electrodo positivo, que funcionen de forma concertada. En algunos diseños, durante la descarga, la formación de peróxido de litio compite con varias reacciones secundarias indeseables que atacan al electrolito, reduciendo la eficacia global de la batería.

Ahora, los investigadores han demostrado cómo algunos de estos obstáculos pueden superarse. Su prototipo se basa en un electrodo altamente poroso de carbono hecho de grafeno, que incluye hojas de átomos de carbono de un átomo de espesor, y aditivos que alteran las reacciones químicas en el trabajo en la batería, por lo que es más estable y eficiente.

Eficiencia del 93%

En esta ocasión, el equipo ha utilizado una química muy diferente, basándose en hidróxido de litio (LiOH) en lugar de peróxido de litio (Li2O2). Con la adición de agua y el uso de yoduro de litio como un ‘mediador’, la nueva batería muestra menos reacciones químicas que pueden causar deterioro y resulta mucho más estable tras múltiples ciclos de carga y descarga.

Mediante una ingeniería precisa de la estructura del electrodo, cambiándolo a una forma altamente porosa de grafeno, añadiendo yoduro de litio, y modificando la composición química del electrolito, los investigadores han logrado reducir la diferencia de potencial entre la carga y descarga de 0,2 voltios. Una brecha de tensión más pequeña equivale a una batería más eficiente –las versiones anteriores de una batería de litio-aire solo habían conseguido reducirla entre 0,5 y 1,0 voltios, mientras que 0,2 voltios es un valor más cercano al de una batería de Li-ion, y equivale a un eficiencia energética de 93%.

Aunque los resultados son prometedores, los autores advierten que una batería de litio-aire práctica sigue estando al menos a una década de distancia.

"No hemos resuelto todos los problemas inherentes a la química de estas baterías, pero nuestros resultados sí nos acercan a un dispositivo práctico", concluye la profesora de investigación Clare Grey, directora del equipo y coautora del estudio.