Baterías de litio para almacenar energía

Una de las claves para convertir nuestra actual economía basada en combustibles fósiles en una de hidrógeno (más respetuosa con el medio ambiente, y por tanto, más "recomendable" para la humanidad de ahora y de un futuro), es almacenar la energía. Por ejemplo, si obtenemos energía eléctrica a partir de la radiación solar y de la velocidad del viento, tendremos electricidad de forma intermitente que fluctuará independientemente de la demanda y dependiendo de las condiciones climáticas. Por tanto, uno de los retos es poder almacenar dicha energía y obtener electricidad de forma continua.

A lo largo de esta edición del IX Carnaval, ya se nos ha hablado de las baterías de litio por @emulenews y @Roskiciencia, os recomiendo sus dos entradas para más información, yo voy a centrarme en que con estas baterías se ha conseguido eliminar el efecto memoria, y en qué consiste este efecto.

Actualmente las baterías de litio son tal que así: 

Las baterías de litio evitan el efecto memoria observado en baterías de níquel-cadmio, que puede ser descrito como una reducción aparente en la capacidad de celda para predeterminar el cierre de voltaje. Esto ocurre cuando se dan patrones de uso altamente repetitivos. Es decir: después de usar muchas veces la batería, por ejemplo del móvil, esta va perdiendo la capacidad de "cargarse" y cada vez observamos que nos dura menos la batería.

Se sabe que el efecto memoria ocurre porque β-NiOOH pasa a γ-NiOOH por sobrecarga (cuando se deja la batería enchufada a la corriente demasiado tiempo). Se conoce que la formación de γ-NiOOH afecta a la batería, y de hecho se han usado algunos aditivos como cobalto, cadmio, Ca(OH)₂ and Zn(OH)₂ para prevenir su formación.

A partir de todos estos resultados y discusión se han llegado a las siguientes conclusiones:

1. La causa principal del efecto memoria observado en las baterías recargables de tipo alcalino usando electrodos de níquel es principalmente debido a la formación de γ-NiOOH.
2. Este γ-NiOOH desaparece dentro de un par de ciclos de carga-descarga normal.
3. La cantidad formada de γ-NiOOH es pequeña, los rayos X no alcanzan la fase γ-NiOOH y solo β-NiOOH puede detectarse. Se piensa que es la razón de por qué γ-NiOOH no puede ser detectado en un electrodo de níquel incluso cuando el efecto memoria es observado.

Alrededor de los últimos 10 años, ha habido un creciente interés en los materiales de inserción de litio, porque potencialmente tienen un amplio intervalo de aplicaciones para electrodos positivos y/o negativos en baterías de ión-litio. Varios investigadores están trabajando en nuevos materiales para baterías de ión-litio avanzadas, así como para obtener un conocimiento más profundo del esquema de inserción. La elección de materiales de electrodo es un paso crítico en hacer las baterías de densidad de alta energía. Es importante la preparación y caracterización de materiales de inserción de litio como LiCoO₂, LiNiO₂, Li[Co_yNi_{1_y}]O₂, Li[Al_0.25Ni_0.75]O₂, Li[Li_yMn_{2_y}]O₄, Li[Li_0.33Ti_1.67]O₄, y materiales de carbono.

La estructura de sistema de espinela se observa en los óxidos metálicos. En esta estructura, hay dos sitios catiónicos diferentes: los huecos tetraédricos y octaédricos. Los iones Mn³⁺ (3d⁴) o Mn₄^-(3d³) ocupan solo los sitios octaédricos, como en Mn²⁺ en [Mn³⁺]₂O₄, Zn²⁺[Mn³⁺]₂O₄,… Las estructuras de sistema de espinela con iones litio, manganeso y oxígeno (3d³ y 3d⁴) en los sitios 16(d) en el grupo espacial Fd3̅m puede ser fácilmente remplazados por iones de litio y otros metales de transición, y las matrices sólidas resultantes cumplen las condiciones necesarias para un esquema de inserción de litio. Una de estas condiciones es que los iones de litio se puedan mover de un sitio a otro en una matriz entera sólida durante la oxidación y/o la reducción (al final, los procesos de carga-descarga de baterías se basan en reacciones redox que nos dan electrones-electricidad). En una estructura de sistema de espinela, los iones de transición metálica en los sitios tetraédricos normalmente impiden el transporte de ión litio. 

Interesa mucho seguir investigando nuevos materiales hacia la consecución de unas baterías "verdes" o sostenibles.

Referencias

Diapositivas de Félix Sánchez Alonso, en máster interuniversitario de Química Sostenible, Valencia 2012, asignatura de Energías Sostenibles

Sato, Y., Takeuchi, S., & Kobayakawa, K. (2001). Cause of the memory effect observed in alkaline secondary batteries using nickel electrode Journal of Power Sources, 93 (1-2), 20-24 DOI: 10.1016/S0378-7753(00)00506-1



Ohzuku, T., Ariyoshi, K., Takeda, S., & Sakai, Y. (2001). Synthesis and characterization of 5 V insertion material of Li[FeyMn2−y]O4 for lithium-ion batteries Electrochimica Acta, 46 (15), 2327-2336 DOI: 10.1016/S0013-4686(00)00725-8

Este post participa en la IX Edición de lCarnaval de Tecnología acogido en Pero eso es otra historia...