Una colaboración multiinstitucional liderada por la Universidad de Tongji ha identificado los factores clave que gobiernan la evolución de oxígeno en baterías de litio-oxígeno no acuosas basadas en LiOH, y ha demostrado que un enfoque sistemático en el diseño de catalizadores, electrolitos y colectores de corriente puede aumentar la recuperación de oxígeno de casi cero a aproximadamente el 75%.
El estudio, publicado en Nature Communications, aborda uno de los desafíos fundamentales que frenan la tecnología de baterías de litio-aire. Las celdas Li-O2 basadas en LiOH ofrecen una densidad energética teórica de 3.707 Wh/kg, varias veces superior a la de las baterías de iones de litio convencionales, y son inherentemente más tolerantes a la humedad y al CO2 que la química alternativa Li2O2. Pero hasta ahora, su reversibilidad era pobre, con una recuperación de oxígeno casi nula durante la carga.
Lo que encontraron
El equipo, liderado por Tao Liu en la Universidad de Tongji, analizó sistemáticamente la química parasitaria que degrada las celdas basadas en LiOH. Identificaron los radicales hidroxilo unidos a la superficie (OH) como las principales especies reactivas de oxígeno, en contraste con las celdas basadas en Li2O2, donde el oxígeno singlete (1O2) es el principal culpable. Debido a que OH está unido a la superficie en lugar de estar en fase de solución, su reactividad puede modularse mediante la ingeniería de superficie del catalizador.
Los radicales hidroxilo atacan tanto al electrolito como al soporte de carbono. Utilizando carbono marcado con 13C, el equipo rastreó el 65% del CO2 generado hasta la corrosión del carbono, representando la descomposición del electrolito el 35% restante. La corrosión del carbono comienza a solo 3,5 V, dentro del rango de voltaje de carga.
Optimización de tres frentes
El equipo desarrolló tres estrategias complementarias:
Primero, un catalizador de hidróxido doble laminar Fe-Co-Ni (FeCoNi LDH) que se une fuertemente a OH, dirigiéndolo hacia la evolución productiva de oxígeno en lugar de reacciones secundarias. El análisis de carga de Bader mostró que OH en los sitios activos de hierro tiene una transferencia de carga más alta que en el rutenio, lo que lo hace menos reactivo y agresivo.
Segundo, un electrolito basado en sulfolano con resistencia superior al ataque electrófilo de *OH, confirmado mediante cálculos de teoría funcional de la densidad de los índices de Fukui, superando a los éteres convencionales, DMSO y DMA.
Tercero, un colector de corriente de oro que elimina por completo la vía de corrosión del carbono a voltajes superiores a 3,5 V, eliminando la fuente principal de irreversibilidad.
Combinadas, estas estrategias aumentaron la recuperación de oxígeno a aproximadamente el 75%, desde un nivel de referencia cercano a cero. El producto de descarga se confirmó como LiOH mediante difracción de rayos X in situ, sin oxígeno singlete detectable.
Una paradoja revelada
El trabajo revela una idea contraintuitiva: un sobrepotencial más alto puede en realidad impulsar a OH hacia la evolución productiva de oxígeno en lugar de reacciones parasitarias. Simplemente reducir el voltaje de carga, un objetivo de optimización típico, es insuficiente si hace que OH sea más reactivo hacia el electrolito.
El estudio proporciona principios de diseño racional para futuras baterías de litio-aire basadas en LiOH: solventes resistentes a la oxidación, catalizadores que se unen fuertemente a *OH y colectores de corriente no carbonáceos. Si se escala, la química de oxígeno de 4 electrones podría eventualmente permitir baterías de litio-aire prácticas al aire libre, eliminando la necesidad de botellas de oxígeno y sistemas de purificación de gases.
Fuentes:
1. Tang L, Lu Z, Gao Z, Lou X, Li J, Wen Y, Chen J, Zhu Z, Luo S, Zhou L, Wei G, Chen Z, Zhao H, Li T, Peng L, Li F, Liu T. “Unravelling the key factors governing O2 evolution upon charging a reversible LiOH-based nonaqueous Li||O2 battery.” Nature Communications. 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-75284-2
Traducido por Alessandra