Con la capacidad de almacenar hasta cinco veces la energía de las soluciones de iones de litio actuales, los investigadores tienen un gran interés en las baterías de litio-azufre, y un equipo de la Universidad de Michigan ha dado un paso hacia la materialización de su potencial en el mundo real. El avance depende de una membrana de inspiración natural que supera los problemas de estabilidad y ofrece a la batería un diseño “casi perfecto”, que le permite durar más de mil ciclos.
“Hay varios informes que afirman que las baterías de litio-azufre duran varios cientos de ciclos, pero esto se consigue a expensas de otros parámetros: capacidad, velocidad de carga, resistencia y seguridad”, dijo el líder del equipo de investigación, Nicholas Kotov.
“El reto actual es fabricar una batería que aumente la tasa de ciclado de los antiguos 10 ciclos a cientos de ciclos y satisfaga otros múltiples requisitos, incluido el coste”.
Para afrontar ese reto, Kotov y sus colegas recurrieron a las nanofibras de aramida, que son versiones a nanoescala de las fibras de kevlar, y las convirtieron en redes cuidadosamente diseñadas que imitan la estructura de las membranas celulares.
Este material se infundió con un gel electrolítico y evita una causa común de fallo de las baterías, que es la formación de crecimientos en forma de aguja llamados dendritas que crecen en uno de los electrodos.
Pero las ventajas de la nueva membrana van más allá. Cuando una batería de litio y azufre se somete a ciclos, pequeñas partículas de litio y azufre conocidas como polisulfuros de litio fluyen hacia el litio y comprometen la capacidad del dispositivo.
El equipo solucionó este problema integrando diminutos canales de inspiración biológica en su membrana artificial y añadiendo una carga eléctrica, que repele las partículas y permite que los iones de litio cargados positivamente fluyan libremente.
Figura 1. El diagrama muestra la novedosa membrana que bloquea el paso de los polisulfuros de litio mientras permite que los iones pasen libremente.
“Inspirándonos en los canales iónicos biológicos, diseñamos autopistas para los iones de litio en las que los polisulfuros de litio no pueden pasar los peajes”, afirma Ahmet Emre, coprimer autor del trabajo.
El resultado de esta selectividad iónica, como se denomina, es una batería de litio-azufre con un diseño “casi perfecto”, según Kotov.
Dice que el dispositivo tiene una eficiencia que se acerca a los límites teóricos, mientras que la capacidad es cinco veces mayor que la de una batería estándar de iones de litio. Esto podría hacer que algún día los vehículos eléctricos puedan viajar cinco veces más lejos sin necesitar una recarga, por ejemplo.
Figura 2. una membrana estándar de la industria puede verse filtrando polisulfuros de litio
En un entorno real con tecnología de carga rápida, los científicos esperan que la batería dure unos 1.000 ciclos, lo que se considera una vida útil de 10 años. También juega a favor del dispositivo el hecho de que el azufre es más abundante y menos problemático de obtener que el cobalto utilizado en las baterías de iones de litio, mientras que las fibras de aramida pueden obtenerse de viejos chalecos antibalas, lo que lo convierte en una propuesta más ecológica.
“La ingeniería biomimética de estas baterías integró dos escalas: la molecular y la nanoescala”, dice Kotov. “Por primera vez, integramos la selectividad iónica de las membranas celulares y la dureza del cartílago. Nuestro enfoque de sistema integrado nos permitió abordar los retos generales de las baterías de litio-azufre”.
Noticia tomada de: New Atlas / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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