El catalizador se compone de nanopartículas de una aleación de oro y de platino; durante la fase de pruebas fue capaz de devolver el 77 por ciento de la energía utilizada para cargar la batería en electricidad al ser descargada. Eso supera el récord anteriormente publicado del 70 por ciento, afirman los investigadores. El trabajo, que fue publicado en inte et esta semana en Jou al of the American Chemical Society, sugiere un nuevo enfoque dentro de los catalizadores de baterías de litio-aire que podría conducir hacia unos mayores grados de eficiencia, de entre un 85 a un 90 por ciento, necesarios para fabricar baterías comerciales.
Las baterías de litio-aire, que producen electricidad mediante la reacción entre el litio y el oxígeno del aire, resultan atractivas gracias a su potencial para almacenar grandes cantidades de energía. Podrían ser una forma práctica de superar hasta tres veces la cantidad de energía que, en función del peso, almacenan las baterías de litio-ion actuales, ampliando así el rango de los vehículos eléctricos, por ejemplo.
Sin embargo los prototipos de baterías de litio-aire están plagados de problemas. Además de ser muy ineficientes, por lo general sólo duran unas cuantas docenas de cargas y descargas. También son lentos—liberan la energía lentamente—y propensos a la contaminación por medio del dióxido de carbono y el agua. Además el metal de litio utilizado para uno de los electrodos es peligrosamente reactivo y, con el tiempo, crecen dendritas que pueden acabar provocando cortocircuitos.
Al mejorar la eficiencia de la batería, la nueva investigación sobre el catalizador, dirigida por Yang Shao-Ho y Hubert Gasteiger, profesores de ingeniería mecánica, en colaboración con Kimberly Hamad-Schifferli, profesora de ingeniería mecánica y biológica, aborda uno de sus problemas más graves . Los catalizadores también podrían ayudar a ampliar la vida de este tipo de baterías.
Cuando las baterías de litio-aire son descargadas, el metal de litio reacciona con el oxígeno para formar óxido de litio y liberar electrones. Cuando se carga, el oxígeno se libera y el metal de litio se vuelve a formar. Los nuevos catalizadores promueven esas reacciones, y así reducen la cantidad de energía gastada durante la carga y descarga de las células. Los átomos de oro en el catalizador facilitan la combinación del litio y el oxígeno; el platino ayuda con la reacción opuesta, liberando el oxígeno.
De alguna manera los resultados van en contra de lo asumido previamente. El platino, conocido por ser uno de los mejores catalizadores para promover la combinación de hidrógeno y oxígeno en las células de combustible, fue uno de los primeros materiales probados para catalizar el litio y el oxígeno en las baterías de litio-aire. Sin embargo los experimentos mostraron que en realidad su rendimiento era muy pobre, por lo que el platino dejó de utilizarse.
Los investigadores del MIT descubrieron que el platino es útil en las baterías de litio-aire, aunque para la reacción opuesta—liberando el oxígeno del óxido de litio durante la carga. "Todo el mundo sabía que el platino estaba inactivo a la hora de descargar la batería, aunque hemos demostrado que el platino era uno de los mejores catalizadores para la carga," señala Shao-Ho .
Por otro lado, el oro es generalmente considerado un catalizador pobre debido a su estado inerte, afirma Shao-Ho . De hecho, los investigadores del MIT habían utilizado oro por primera vez como una especie de control durante los experimentos para medir aquellas reacciones en la que estaban implicados catalizadores pobres. Para su sorpresa, descubrieron que el oro hace un buen trabajo a la hora de catalizar la combinación de litio y oxígeno—mucho mejor que el platino. (Los investigadores de Toyota habían demostrado este hecho con anterioridad, y emitieron una patente unos meses antes de que el grupo de Shao-Ho observase el efecto.) Además, los investigadores encontraron que ambos catalizadores se hicieron más eficaces al ser combinados como nanopartículas. "Juntos, trabajan sinérgicamente", afirma Shao-Cue o.
Además de mejorar la eficiencia, la promoción de estas reacciones también podría aumentar potencialmente el número de veces que las baterías de litio-aire pueden recargarse, reduciendo al mínimo la acumulación de óxido de litio, que de otro modo acaba obstruyendo la batería. A medida que sigan desarrollando las baterías de litio-aire, los investigadores del MIT explorarán esta posibilidad; estudiarán los catalizadores de oro platino con más detalle para entender cómo funcionan; y desarrollarán nuevos catalizadores con distintas combinaciones de materiales.
Los investigadores del MIT también están trabajando para reducir el coste del catalizador, utilizando para ello menos cantidad de platino y oro. Una opción consiste en cubrir nanopartículas hechas con materiales más baratos con finas capas de estos metales preciosos. Otros investigadores han demostrado que los catalizadores de óxido de manganeso de bajo coste pueden ser eficaces para las baterías de litio-aire, según asegura Jean-Marie Tarascon, profesor de la Université de Picardie Jules Ve e en Francia. Él señala que recientemente se ha demostrado que este material produce unos grados de eficiencia aún mayores que los catalizadores de Shao-Ho .