Pila de iones de oxígeno. ¿Qué es y cómo funcionan?

Hola estimados amigos de Hive.

Las baterías de iones de litio se han vuelto omnipresentes en nuestra vida diaria, se han vuelto necesarias para proveer la autonomía de funcionamiento de una gran mayoría de dispositivos electrónicos, desde teléfonos celulares y computadoras portátiles hasta vehículos. Sin embargo, una capacidad de almacenamiento que decrece con el tiempo o el peligro de explosión al sobrecalentarse, son limitaciones que no las hacen apropiadas para otros tipos de aplicaciones, como el abastecimiento de energía a vehículos espaciales o el almacenamiento de energía a gran escala. Para este tipo de aplicaciones se requiere de un tipo alternativo de batería, que sean seguras y con una gran vida útil.

En este contexto, las baterías de iones de oxígeno podrían ser la solución a las limitaciones que presentan las baterías de iones de litio, y tienen el potencial de convertirse en el futuro de las pilas de combustibles, gracias a una creciente eficiencia de conversión de combustible en energía y una vida útil extremadamente larga, con un mínimo impacto sobre el medio ambiente. Exploremos un poco más de que trata esta tecnología.

Las pilas de iones de oxígeno podrían ser la nueva generación de las pilas de combustibles. Fuente: @emiliomoron, contiene imagen de dominio público.

¿Cómo funcionan?

Empecemos por decir que la denominada batería de iones de oxígeno es una pila de combustible de óxido sólido (o SOFC por sus siglas en inglés), un dispositivo que produce electricidad mediante la oxidación de un combustible, que se caracteriza por el uso de un material cerámico conductor como electrolito. Básicamente en una batería de este tipo, iones O^2- migran de un extremo a otro a través del material cerámico, generando corriente eléctrica; a diferencia de una batería de iones de litio que utilizan un electrolito líquido para transportar los iones litio.

Esquema de una pila de combustible de óxido sólido. Fuente: Wikipedia.org.

A diferencia de las baterías de iones de litio que utilizan un electrolito líquido que contiene sales de litio, en las pilas de oxígeno utilizan un compuesto cerámico duro de metal para conducir los iones O^2- del cátodo al ánodo, el óxido de calcio o el óxido de circonio se han empleado como electrolito, y se utiliza hidrógeno y monóxido de carbono como combustibles reactivos. El oxígeno del cátodo es suministrado en forma de aire y debido la elevada temperatura de funcionamiento de esta batería, típicamente entre 500 y 1000 °C, los iones de oxígeno cargados negativamente migran a través de la red cristalina del electrolito, y al llegar al ánodo, ocurre la oxidación electroquímica de los iones de combustible.

Las reacciones químicas que tienen lugar dentro de la pila, cuando se usa hidrógeno como combustible, son las que se describen a continuación.

Cátodo:

Ánodo:

Los iones de oxígeno se pueden mover de un lado al otro a través del electrolito cerámico, de este modo la energía se almacena en la pila en forma de iones de oxígeno, la cual es liberada cuando estos iones regresan al material de partida.

Las pilas de combustible de óxido sólido tienen como ventaja un menor costo, gracias a su funcionamiento a altas temperaturas que hace innecesario el uso de un catalizador, por lo general elaborado con metales preciosos; también eliminan el riesgo de explosiones ya que están elaboradas con materiales incombustibles. Por otro lado tienen una larga vida útil, ya que también se pueden regenerar. Aunque presentan varios inconvenientes, uno de ellos es que tienden a ser voluminosas, otra es que el material cerámico puede agrietarse, aunque no hay riesgos de fugas.

Materiales para electrólito

Por lo general las pilas de combustible se caracterizan por el material del electrólito; y las pilas de óxido sólido tienen un electrólito cerámico. Este electrólito es una densa capa cerámica que debe permitir el paso de los iones O^2- y mantener una baja conductividad electrónica, entre los materiales más populares destacan nanocompuestos basados en el sistema YSZ, ZrO₂ dopado con itrio, un material que se ha utilizado ampliamente para sensores de oxígeno o membranas cerámicas para filtración y reactores por ser un conductor iónico puro, no reactivo con el ánodo y el cátodo a las temperaturas de funcionamiento. Por encima de 800 °C, la YSZ se convierte en conductora de iones de oxígeno, su conductividad iónica varía entre 0,02 S m^-1 a 800 °C a 0,1 S cm^-1 a 1000 °C. La zirconia pura no se utiliza ya que su conductividad iónica es muy baja para su uso en las pilas de combustible.

Para su uso como electrólito en SOFC hay varios materiales explorados, entre ellos YSZ y ceria dopada con gadolinio (GDC) ha sido de los materiales muy estudiados; La circona dopada con escandia es un sistema que ha adquirido atención ya que presenta una conductividad superior a la de la YSZ y podría ser preferible a temperaturas inferiores a 700 °C, cuando el coste de la escandia es aceptable para su uso. Entre otras posibilidades exploradas, los materiales con perovskita han demostrado una buena densidad de potencia, y el LaGaO₃ dopado con Sr y Mg luce como un prometedor candidato en este momento por su compatibilidad con electrolitos de zirconio.

Para el ánodo se requieren compuestos cerámicos muy porosos que permitan el flujo de combustible hacia el electrolito, por lo general se emplean materiales compuestos formados por mezclas de materiales cerámicos y metales, lo que permite combinar la resistencia a las elevadas temperaturas de los materiales cerámicos con la maleabilidad de los metales, por lo general se emplean óxidos, carburos refractarios y alúmina. Los nanocompuestos basados en el sistema YSZ se han utilizado con éxito para fabricar baterías SOFC de oxidación directa. Los óxidos de tipo perovskita de conducción electrónica iónica mixta (MIEC) también se han estudiado como materiales de electrodo en pilas de combustible de óxido sólido.

Materiales típicos en la construcción de pilas de óxido sólido. Fuente: imagen elaborada en PowerPoint.

Mientras que para el cátodo los materiales pueden ser más variados, se emplean materiales que mínimo deben ser electrónicamente conductores, donde los materiales conductores electrónicos y los conductores mixtos iónico-electrónicos (MIEC por sus siglas en inglés) son las dos categorías más usadas. Entre los materiales conductores electrónicos convencionales el más utilizado es la manganita de lantano y estroncio, La_1-xSr_xMnO₃, (LSM).

Diseños de las pilas de óxido sólido

Existen diferentes tipos de configuraciones propuestas para las SOFC, y la diferencia entre los diseños se basa en el método de conexión entre cada celda y la forma en que fluye el combustible y el oxidante por los canales.

Diseño tubular

Esta configuración consiste en un tubo de soporte que se cubre con el cátodo, electrolito, ánodo y la interconexión como se muestra en la figura.

Esquema de una SOFC tubular. Fuente: Wikipedia.org.

Esta configuración consiste en un tubo de soporte que se cubre con el cátodo, electrolito, ánodo y la interconexión como se muestra en la figura. Básicamente el oxidante se introduce por el centro del tubo, mientras que el combustible fluye por el exterior del mismo.

Diseño monolítico

Este diseño de SOFC utiliza componentes de celda delgados en una estructura corrugada compacta. Existen dos tipos de configuraciones diferentes para este diseño, las configuraciones de co-flujo de gas y de flujo cruzado de gas, como se muestra en las siguientes figuras.

SOFC monolítico, configuración a) co-flujo y b) flujo cruzafo. Fuente: imagen elaborada en PowerPoint.

Lo nuevo en pilas SOFC

Una de las limitaciones de este tipo de pilas de combustibles es que la diferencia de dilatación de los materiales tiende a agrietar la pila, por ello la investigación apunta a desarrollar pilas de combustible que operen a menor temperatura, para evitar la tensión térmica de los materiales que es la causante de acortar la vida útil de la batería, además, un sistema que opere a un rango de temperatura más bajo permitiría el uso de materiales más económicos.

En este sentido, investigadores de la Universidad Técnica de Viena reportaron recientemente haber desarrollado una batería de iones de oxígeno de estado sólido que pueden operar a temperaturas entre 350 y 500 °C. En su estudio utilizaron celdas modelo electrolitos monocristalinos de zirconia estabilizada con itria (YSZ) con electrodos de película fina MIEC y también evaluaron La0,6Sr0,4FeO3-δ (LSF) como cátodo, y obtuvieron como resultado densidades de carga volumétricas de hasta 350 mA h cm-3 a potenciales entre 0,2 y -1,1 V con un buen rendimiento cíclico.

Conclusión

Las pilas de iones de oxígeno ofrecen muchas ventajas frente a los sistemas de almacenamiento de energía basados en electrolitos líquidos, pues si bien son susceptibles a la fractura de los materiales por la tensión térmica, las fugas no representan un problema, sin mencionar que si se pierde oxígeno este se puede compensar con oxígeno del ambiente.

Aunque no son pilas pensadas para teléfonos celulares o vehículos eléctricos, resultan interesantes para el almacenamiento de energía, como la proveniente de fuentes renovables, o para aplicaciones donde la temperatura puede ser elevada, >200 °C, donde las baterías convencionales de cationes no son apropiadas.

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Bueno amigos, espero les haya gustado la información sobre este tipo de pila de combustible. ¡Hasta la próxima!

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Referencias

Wikipedia.org. Pila de combustible de óxido sólido.

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