Un nuevo diseño en baterías de litio- azufre permite aumentar la capacidad de estas baterías, manteniéndolas durante cientos de ciclos, con lo cual podrán alcanzar todo su potencial.
Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Argonne ha construido y probado una nueva capa intermedia para evitar la disolución del cátodo de azufre en las baterías de litio-azufre.
Las baterías dan energía a gran parte de la vida cotidiana, desde los teléfonos móviles y los relojes inteligentes hasta el creciente número de vehículos eléctricos. La mayoría de estos dispositivos utilizan la conocida tecnología de baterías de iones de litio.
Aunque las baterías de iones de litio han avanzado mucho desde que se introdujeron por primera vez, también tienen algunos inconvenientes conocidos, como la corta vida útil, el sobrecalentamiento y los problemas en la cadena de suministro de ciertas materias primas.
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Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DoE) están investigando soluciones a estos problemas probando nuevos materiales en la construcción de baterías. Uno de ellos es el azufre. El azufre es muy abundante y rentable y puede almacenar más energía que las baterías tradicionales de iones.
En el nuevo estudio, los investigadores avanzaron en la investigación de baterías basadas en azufre creando una capa dentro de la batería que añade capacidad de almacenamiento de energía al tiempo que casi elimina un problema tradicional de las baterías de azufre que causaba corrosión.
Wenqian Xu, científico de la línea de luz de la Fuente Avanzada de Fotones de Argonne, señaló: “Estos resultados demuestran que una capa intermedia redox-activa podría tener un gran impacto en el desarrollo de las baterías Li-S. Estamos un paso más cerca de ver una batería Li-S en el futuro. Estamos un paso más cerca de ver esta tecnología en nuestra vida cotidiana”.
El prometedor diseño de la batería combina un electrodo positivo que contiene azufre (cátodo) con un electrodo negativo de metal de litio (ánodo). Entre ambos componentes se encuentra el electrolito, o sustancia que permite el paso de iones entre los dos extremos de la batería.
Las primeras baterías de litio-azufre (Li-S) no funcionaban bien porque las especies de azufre (polisulfuros) se disolvían en el electrolito, provocando su corrosión. Este efecto de desplazamiento del polisulfuro afecta negativamente a la vida útil de la batería y reduce el número de veces que puede recargarse.
Para evitar este desplazamiento del polisulfuro, investigadores anteriores probaron a colocar una capa intermedia redox-inactiva entre el cátodo y el ánodo. El término “redox-inactivo” significa que el material no sufre reacciones como las de un electrodo.
Ahora bien, esta capa intermedia protectora es pesada y densa, lo que reduce la capacidad de almacenamiento de energía por unidad de peso de la batería. Tampoco reduce adecuadamente el desplazamiento. Esto ha supuesto un importante obstáculo para la comercialización de las baterías Li-S.
Para solucionar este problema, los investigadores desarrollaron y probaron una capa intermedia porosa que contiene azufre. Las pruebas de laboratorio demostraron que la capacidad inicial de las pilas Li-S con esta capa intermedia activa era tres veces superior a la inactiva.
Lo que es más impresionante de este desarrollo es que las células con la capa intermedia activa mantuvieron una alta capacidad durante 700 ciclos de carga y descarga.
Guiliang Xu, químico de Argonne y coautor del artículo, afirma: “Los experimentos anteriores con células que tenían la capa redox-inactiva sólo suprimían el desplazamiento, pero al hacerlo, sacrificaban la energía para un peso determinado de la célula porque la capa añadía peso extra. En cambio, nuestra capa redox-activa aumenta la capacidad de almacenamiento de energía y suprime el efecto lanzadera”.
Para profundizar en el estudio de la capa redox-activa, el equipo llevó a cabo experimentos en la línea de luz 17-BM de la Fuente Avanzada de Fotones de Argonne, una instalación de la Oficina de Ciencia del DoE. Los datos obtenidos de la exposición de células con esta capa a haces de rayos X permitieron al equipo determinar los beneficios de la capa intermedia.
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Los datos confirmaron que una capa intermedia redox-activa puede reducir el desplazamiento, reducir las reacciones perjudiciales dentro de la batería y aumentar la capacidad de la batería para mantener más carga y durar más ciclos.
En palabras de Wenqian Xu: “Estos resultados demuestran que una capa intermedia redox-activa podría tener una enorme repercusión en el desarrollo de las baterías Li-S. Estamos un paso más cerca de ver una batería de este tipo en el futuro. Estamos un paso más cerca de ver esta tecnología en nuestra vida cotidiana”.
De cara al futuro, el equipo quiere evaluar el potencial de crecimiento de la tecnología de capa intermedia redox-activa. “Queremos intentar hacerla mucho más fina y ligera”, afirma Guiliang Xu.
Con este resultado de 700 ciclos de las muestras de la investigación de laboratorio, cabe suponer que un mayor desarrollo podría llevar el recuento de ciclos mucho más alto.
Lo más interesante es la relación entre peso y capacidad, una métrica que tendrá un gran impacto en el progreso. Eso y la idea de que el suministro de litio pueda ampliarse podría dar un gran impulso a la comercialización de esta tecnología.
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