Un nuevo desarrollo tecnológico integra una batería de litio-aire con una celda solar de titanio. Los materiales y su funcionamiento eliminan la pérdida de electricidad durante el traslado de la carga, común en otros dispositivos
Por Antonia Tapia / Imágenes: cortesía
Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio, dirigidos por el profesor de química y bioquímica Yiying Wu, han desarrollado una estrategia para mejorar la eficiencia y el rendimiento de las baterías litio-aire (Li-air, en inglés). Se trata de un dispositivo híbrido que integra un panel solar elaborado con una malla que permite el paso de aire a la batería y un proceso especial que se emplea para transferir electrones entre la celda solar y el electrodo de la pila.
Según el trabajo de investigación “Integrating a redox-coupled dye-sensitized photoelectrode into a lithium-oxygen battery for photoassisted charging”, que publicaron los científicos en el portal Nature Communications Journal, en esta novedosa tecnología, primera del mundo, la luz y el oxígeno permiten que diferentes componentes de las reacciones químicas posibiliten la carga de la batería solar.
Una de sus ventajas más sobresalientes tiene que ver con la eficiencia solar, pues elimina la pérdida de electricidad, la cual normalmente ocurre cuando los electrones viajan entre la celda y una batería externa. En otros dispositivos, sólo 80 por ciento de los electrones emergentes de una celda llegan a la batería; sin embargo, con este nuevo diseño la luz se convierte en electrones dentro de la batería, almacenando casi la totalidad.
Asimismo, resulta mucho más económica que las baterías convencionales. En ese sentido, para reducir los costos la institución otorgará la licencia de la batería solar a la industria, con lo que se consigue un ahorro aproximado de 25 por ciento.
Características eficientes
En entrevista con el Nature Communications Journal, el doctor Wu explicó que el dispositivo desarrollado funciona como una batería que respira; es decir, aspira aire cuando descarga e inspira cuando se carga. Este diseño, que se denomina KAir, consiste en una batería cargada con aire de alta eficiencia, que descarga con una reacción química de potasio y oxígeno.
Además de la batería KAir, el dispositivo integra un panel solar de malla permeable que ha sido desarrollado a partir de una gasa de titanio: tela flexible sobre la que se generaron hebras verticales de dióxido de titanio, como si se tratara de césped. Así, el aire pasa libremente a través de la malla, mientras las hebras capturan la luz del sol. Dicha solución hace que el panel sea mucho más eficiente, ya que convencionalmente las celdas solares son fabricadas con paneles sólidos semiconductores que bloquean la entrada del aire a las baterías.
Comúnmente, la conexión entre la celda solar y la batería requiere del uso de cuatro electrodos, pero el dispositivo híbrido desarrollado por los investigadores de la Universidad de Ohio emplea únicamente tres.
El panel de malla solar forma el primer electrodo. Debajo de ésta, los investigadores colocaron una delgada película de carbono poroso, que conforma el segundo, y una placa de litio que sería el tercero. Entre los electrodos se traslapan capas de electrolitos con el propósito de trasladar electrones de un lado a otro.
Funcionamiento
Para operar, esta novedosa batería solar lleva a cabo un proceso dividido en varias etapas: mientras se carga, la luz golpea la malla del panel solar y crea electrones; dentro de la batería, los electrones son capturados por la descomposición del peróxido de litio en iones de litio y oxígeno; el oxígeno es liberado al aire y los iones de litio se almacenan en la batería como metales de litio después de capturar electrones; finalmente, cuando la batería se descarga consume oxígeno del aire químicamente para volver a formar el peróxido de litio.
Un aditivo yodado en el electrolito actúa como “transporte” que lleva electrones y los traslada entre el electrodo de la batería y el panel solar. El uso de aditivos representa un acercamiento diferente para mejorar el desempeño y la eficiencia de la batería, según afirma el equipo de trabajo.
La malla pertenece a una clase de dispositivos conocidos como celdas solares sensibles al tinte. Esto se debe a que los investigadores utilizaron un tinte rojo para afinar la longitud de onda de la luz capturada.
Durante los estudios preliminares cargaron y descargaron la batería en repetidas ocasiones. Con el propósito de analizar qué tanto sobrevivían los materiales de los electrodos, se utilizó un espectrógrafo de fotoelectrones de rayos X que permitió determinar la vida útil de la batería.
Primero utilizaron un compuesto de rutenio como tinte rojo, pero, debido a que se consumía por la luz capturada, la batería se quedaba sin tinte a las ocho horas de carga y descarga ?periodo de vida útil muy corto. En su lugar, pensaron en un semiconductor de color rojo oscuro que no pudiera consumirse tan rápidamente, para lo que emplearon óxido de hierro.
Luego cubrieron la malla con este compuesto y lograron que la batería se cargara con la luz solar mientras seguía conservando su color rojo. Basados en estos resultados, Wu y su equipo pensaron que la vida útil de la batería solar podría compararse con la de las baterías recargables que existen en el mercado.
Los investigadores concluyeron que con un alto contenido de energía la batería recargable de litio-aire no soluble en agua es una prometedora técnica de almacenamiento de energía para la próxima generación. También indicaron que la utilización del aditivo electrolítico para acoplar el fotoelectrodo y un electrodo de oxígeno ofrece una estrategia única para subrayar el tema de la sobrepotencialización de las baterías recargables de litio-aire no solubles en agua, que permiten ser integradas en celdas solares para obtener mejores niveles de eficiencia.
Con el auge de este tipo de iniciativas sostenibles cada vez son más las dependencias que apuestan por ellas. En este caso, el Departamento de Energía de Estados Unidos financia el proyecto KAir, el cual continúa en marcha, mientras los investigadores exploran maneras para mejorar el desempeño de la batería solar con nuevos materiales.
