Mecanismos de reacciones del electrodo de oxígeno en baterías avanzadas de litio-aire

Abstract

El mundo se encuentra atravesando problemas de aspectos socio-ambientales por el uso indiscriminado de fuentes de energía no renovables, en especial aquellas derivadas de combustibles fósiles. Estas prácticas contribuyen al efecto invernadero, incrementando la producción de dióxido de carbono durante el proceso de combustión.El uso de fuentes de energías renovables como la solar implica el estudio de nuevas formas de almacenar estas energías. Hoy en día, el uso de baterías recargables de ion litio es una de las más utilizadas. Sin embargo, su energía específica es mucho menor comparada con la provista por los derivados del petróleo. Es por este motivo que en esta última década muchos investigadores, a lo largo y ancho del planeta, han llevado a cabo la investigación de nuevas formas de almacenamiento y conservación de energía.Una de las aplicaciones de las baterías de litio sería su empleo en el uso de automóviles. Sin embargo, la autonomía provista por las convencionales baterías es baja para los requerimientos de dichos vehículos teniendo en cuenta la demanda de la sociedad moderna. Esto hace que sea necesaria una transición definitiva al uso de baterías para los vehículos eléctricos.Las baterías de litio aire jugarían un papel fundamental en los futuros métodos de almacenamiento de energía debido a su alta densidad de energía teórica. Es por ello que entender los procesos fisicoquímicos fundamentales involucrados en las reacciones de óxido-reducción es necesario para la realización de esta nueva tecnología.Este trabajo tiene dos aspectos fundamentales. El primero es el estudio de los mecanismos de reducción de oxígeno en soluciones no acuosas que contienen litio. Esto se ha llevado a cabo mediante técnicas electroquímicas tales como voltamperometría cíclica, cronoamperometría y cronopotenciometría tanto en el electrodo rotatorio de disco y anillo, balanza electroquímica de cristal de cuarzo y espectrometría de masas diferencial electroquímica. La diversidad de técnicas empleadas permitió estudiar el problema de forma integral y se probó cómo el material del cátodo, la concentración de litio, la naturaleza del solvente y la densidad de corriente afectan estos mecanismos.En la segunda parte se vio cómo afectan los mecanismos antes mencionados el uso de moléculas orgánicas solubles como mediadores redox en los procesos de descarga (ORR; reacción de reducción de oxígeno) y recarga (OER; reacción de evolución de oxígeno). Las moléculas estudiadas fueron el tetratiofulvaleno y la ftalocianina de hierro. El primer mediador redox afecta los procesos de evolución de oxígeno mientras que el segundo está involucrado tanto en los mecanismos de reducción como de evolución de oxígeno. El uso de estas u otras moléculas, facilitaría los procesos que se producen en la batería disminuyendo la diferencia de potencial de estos y evitando la descomposición electroquímica del electrolito además de la capacidad de ciclar la batería.El trabajo realizado a lo largo de esta tesis contribuye al conocimiento científico en las baterías de litio-aire, ayuda a entender los mecanismos involucrados y propone enfocarse en nuevos aspectos de la misma (nuevos materiales) para lograr una mayor ciclabilidad y durabilidad.