Bateries de liti: grans expectatives i dificultats
Elhuyar Fundazioa
Totes les bateries fabricades per Alessandro Volta en els pròxims 50 anys després de la invenció de la seva pila eren per a un sol ús. Quan es descarregaven es tiraven perquè no es podien recarregar.
No obstant això, el físic francès Gaston Planté va inventar en 1859 una bateria que es podia recarregar una vegada i una altra introduint plaques de plom en àcid sulfúric, sistema que es continua utilitzant bàsicament en automòbils i camions.
En aquestes bateries clàssiques hi ha dos elèctrodes: un l'ànode (pol positiu) i l'altre el càtode (pol negatiu), tots dos immersos en una solució denominada electròlit. L'ànode és un metall al qual salin els electrons (càrregues negatives). Aquests electrons són els utilitzats en el circuit exterior (per exemple, il·luminant el fanal de l'automòbil). Les càrregues positives restants (ions metàl·lics) al llarg de l'electròlit arriben al càtode dins de la bateria.
Entre aquests dos pols de la bateria carregada cablejat exterior, llums, resistències, motors elèctrics, etc. l'aprofitament de l'energia acumulada s'obté per la seva posada en marxa. No obstant això, quan es gasta aquesta energia acumulada, la bateria ha de ser recarregada i per a això s'ha de fer circular a l'ànode a l'inrevés. En cas contrari, en lloc d'extreure energia, cal donar-li la tensió a l'inrevés.
Amb l'objectiu d'aconseguir sistemes de transport ràpid i massiu d'energia en un reduït espai, els electroquímics estan obrint noves vies de captació de grans quantitats d'ions i electrons. Volen multiplicar la superfície de contacte dels actuals càtodes clàssics aprofitant la “estructura intercalada”. L'estructura intercalada és la d'alguns sòlids que se solen classificar en fines fulles. En la naturalesa, les miques són l'exemple més conegut. Presenten làmines homogènies estables i fines segons un pla, però en unir-se el pla és feble; és com el pastís de milfulls.
La idea és crear una nova estructura intercalant làmines primes amb altres de material. Si a més d'aquesta operació mecànica s'alliberen electrons en la reacció electroquímica, el càtode tindrà una gran superfície de contacte i s'acumularà gran quantitat d'energia. A més el procés ha de ser reversible (cal recarregar-ho una vegada descarregat) i els cicles han de repetir-se moltes vegades.
El desenvolupament d'aquesta mena de sistemes es va iniciar principalment en els laboratoris de Bell als Estats Units en 1974-75, i des de llavors són nombrosos els grups d'investigadors que estan treballant en aquest camp. Com en molts altres temes, les aplicacions militars han donat un gran impuls al desenvolupament de bateries d'estructura intercalada i en les bateries que actualment contenen làmines de liti es pot dir que en el mateix pes s'acumula entre tres i cinc vegades més energia que en les clàssiques.
En aquestes bateries és molt interessant que l'ànode sigui de liti, ja que els àtoms de liti són molt petits. Els ions Li + que han perdut electrons en la reacció química amb l'electròlit, poden circular entre làmines de càtodes molt estretes a intervals curts. La miniaturització de la bateria és molt senzilla.
A més dels ànodes de liti, l'investigador ha rodat les estructures laminars del càtode. Encara que l'estructura de les làmines apilades és molt còmoda d'imaginar, els investigadors han estudiat altres estructures. Aquestes estructures poden tenir la seva organització en una dimensió (fibres), en dues dimensions (làmines) o en tres dimensions (estructura cristal·lina).
Les fibres presenten la barrera dels túnels, que consisteix en el fet que un obstacle interior trenca tot el trànsit. No hi ha costelles per a solucionar el problema. Cal tenir en compte que, sobretot, es pretén que dins del càtode es produeixi un desplaçament important de molts ions de liti, la qual cosa en definitiva significa que en el circuit d'utilització exterior tindrem més electrons o més corrent. En aquest sentit, les estructures bidimensionals o tridimensionals són més interessants, encara que al seu torn siguin més complexes.
Als Estats Units i Europa s'han realitzat nombroses sessions amb disulfur de titani (IV) (TiS 2). Si es mira als àtoms de titani i sofre mitjançant microscopis electrònics, es veuen estructures tridimensionals bàsiques que es repeteixen; en el cas del TiS 2, octaedres. No obstant això, aquests octaedres s'uneixen regularment formant làmines. Cada làmina d'àtom de titani es troba entre les altres dues d'àtom de sofre, com si estigués en sandvitx. L'espai feble entre les làmines, denominat tècnicament “buit de Van der Wals”, es troba entre dues capes d'àtoms de sofre.
En aquesta estructura, malgrat alguns errors puntuals en la pràctica, sorprèn la mobilitat dels ions Li +, que és similar a la dels líquids. D'altra banda, és sorprenent que, teòricament, quan l'ió Li + ha conquistat les seves frondoses, l'ànode s'hagi menjat per complet.
Encara que la teoria sembla atractiva i esperançadora, les dificultats per a explotar industrialment aquestes bateries de liti no són poques. Des de fa uns anys s'està fabricant industrialment piles de liti. En els rellotges de nina competeixen les piles de mercuri, i pot ser que el que tu portes ara també ho sigui. Ànode de liti i càtode d'òxid de manganès (MnO2). Però com és evident, aquestes piles no es recarreguen i el procés no és reversible.
Perquè sigui reversible existeixen dificultats en l'aspecte del càtode. I és que poques vegades la càrrega és insuficient: la bateria ha de poder carregar-se i descarregar-se centenars de vegades. En l'ànode també hi ha dificultats en la reversibilitat. Després de diversos cicles apareixen les dentritas entre les làmines i provoquen curtcircuits nocius.
En 1979 el fabricant nord-americà Exxon va llançar una nova bateria fabricant un càtode amb disulfur de titani (IV), però els resultats van ser lamentables, ja que només permetia carregar cinc vegades.
En 1984 la signatura canadenca Moli Energy extreu una bateria de disulfur de molibdè (IV). És cert que es podia carregar 500 vegades, però aquest tipus de bateries és massa sensible a la temperatura i no és energèticament interessant en comparació amb les bateries de níquel/cadmi.
La fabricació de compostos de sulfur per a càtode és cara i perillosa. L'obtenció de 100 grams en laboratori és senzilla, però amb un quilo de pes el risc d'explosió és alt. Per tant, quines mesures haurien de prendre's per al seu ús industrial!
Una altra de les dificultats és la força electromotriu o tensió que s'ha d'aconseguir entre els pols. Amb els ànodes de liti i els càtodes de sulfur s'aconsegueix entre 1,3 i 2,5 volts (2,1 V amb el càtode de TiS 2), la qual cosa resulta insuficient quan es volen formar bateries de 12 o 24 volts com en els automòbils.
En l'actualitat sembla que els càtodes d'òxid metàl·lic tenen major èxit. Per exemple, el càtode d'òxid de manganès (IV) (MnO 2) és barat i s'obté una força electromotriu d'uns 3 V. Sony i Sanyo treballen en aquest camí. A França, per part seva, el càtode s'ha elaborat amb òxid de vanadi (V 2 O 5) (ànode amb liti, clar), obtenint una força electromotriu de 3,2 volts. El procés és reversible si no es descarrega massa la bateria. A diferència de les bateries de plom, aquestes de liti no admeten la descàrrega fins a 0 volts. Es recomana que les bateries de vanadi esmentades s'estiguin carregant i descarregant entre 2,8 i 3,8 V.
Encara que la força electromotriu és adequada amb els càtodes d'òxid metàl·lic, la intensitat del corrent ha de competir amb les bateries clàssiques. L'energia emmagatzemada i subministrada per quilogram (W.h/kg o W.h/dm 3) és la dada més interessant. Els de níquel/cadmi són d'un altre sistema, però circulen al voltant de 100 W.h/dm 3 i s'espera que amb els de níquel/hidrur aquesta xifra s'elevi fins a 150. En els de liti/vanadi aconsegueixen els 175 W.h/dm 3. La veritat és que no està mal energèticament.
No obstant això, d'una banda només es pot carregar 100 vegades i per un altre l'electròlit utilitzat té riscos. L'electròlit és una sal de liti sòlid (LiAsF 6 ). La fórmula mostra que l'electròlit involucra a l'arsènic i tots sabem que és molt tòxic.
Encara que fins ara hem parlat sobre l'ànode i el càtode, l'electròlit o fase anodo-electròlit és el tercer camp en el qual cal superar les dificultats. Els electroquímics també tenen la paraula.
No obstant això, de moment sembla que el cotxe elèctric no serà accionat per bateries de liti. A més de l'energia necessària per a això, el liti és un material car (8.000 pessetes el quilo) i en l'automòbil es carrega i descarrega milers de vegades la bateria.
De cara al futur, es preveu que les bateries de liti tindran aplicacions en l'espai i en l'àmbit militar, on el preu no es contempla tant. D'altra banda es pot dir que s'utilitzaran en telèfons, samarretes (càmera de vídeo amb el magnetoscopi integrat), ordinadors, etc. Les indústries japoneses estan treballant almenys.
BATERIA CLÀSSICA DE L'AUTOMÒBIL
Té dos elèctrodes submergits en àcid sulfúric o electròlit. L'ànode o elèctrode positiu és de plom i també de càtode o negatiu, però té una capa d'òxid de plom (IV).
Quan s'envia corrent elèctric al circuit exterior es realitza el següent procés. El plom de l'ànode reacciona ionitzant amb àcid sulfúric. L'àtom de plom allibera dos electrons (2e - ) i es converteix en Pb ++. L'àcid sulfúric també es disocia amb dos ions H+ positius i un ió SOTA 4 negatiu. El resultat de la reacció és la formació de SOTA 4 — i SOTA 4 Pb mitjançant la combinació de Pb ++. Els electrons alliberats corren el circuit exterior i després de fer el seu treball (encès del llum, per exemple) arriben a l'altre elèctrode.
Els dos electrons procedents del càtode d'òxid de plom (IV), àcid sulfúric, dos ions H + de la reacció anterior i ànode, subministren sulfat de plom i dues molècules d'aigua.
Després del temps de funcionament, part de l'electròlit es converteix en sal i aigua i es gasta la capa d'òxid de plom (IV). El corrent subministrat per la bateria és cada vegada més feble, per la qual cosa cal carregar-la. Per a això és necessari no extreure energia a la bateria i lliurar-la. SOTA 4 Pb es descompon mitjançant l'aplicació en el primer elèctrode de Pb i SOTA 4 H 2. En l'altre elèctrode es descompon SOTA 4 Pb i s'extreu Pb 2 i SOTA 4 H 2.
BATERIA DE LITI
Té dos elèctrodes submergits en electròlits. Els elements de l'ànode i càtode s'han col·locat paral·lelament entre si per capes i s'han recollit totes. L'ànode és un liti pur, l'electròlit és sal sòlida de liti (LiAsF 6) i el càtode làmines paral·leles d'òxid de vanadi (V 2 O 5).
Quan la bateria subministra el circuit exterior, els electrons de l'ànode corren el circuit, mentre que els ions positius deixen l'ànode en el seu interior, travessen l'electròlit i es dirigeixen fins les lamines de l'estructura del càtode. Quan cal carregar la bateria, els ions i els electrons funcionen a l'inrevés, per a això cal donar-li energia com en la bateria clàssica.
Aquest sistema permet obtenir, a la mateixa potència, grandàries entre 3 i 5 vegades inferiors a les bateries de níquel/cadmi. Aquest avantatge es deu al fet que el liti és un àtom molt petit. Això permet que els ions de liti circulin entre làmines molt pròximes.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
