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TECNOLOGÍA. Baterías de Litio-Azufre, ¿la supercarga del mañana?


Las baterías de iones de litio representan la mayoría de las baterías en electrónica de consumo y vehículos eléctricos. Hoy, los científicos están buscando nuevo procesos químicos que puedan mejorar la densidad de energía y el rendimiento de las baterías más allá de las baterías convencionales de iones de litio.


Un tipo de estas baterías, llamadas baterías de litio-azufre (Li-S), podría ofrecer más densidad de energía y menor coste que la batería tradicional de iones de litio de grafito / óxido de metal. Sin embargo, su rendimiento con frecuencia se ve afectado por una reacción parasitaria que ocurre dentro de la batería que evita que se active de manera tan eficiente.

El azufre representa un compañero de cátodo natural para el Li metálico y, en contraste con las células convencionales de iones de litio, los procesos químicos incluyen la disolución de la superficie del ánodo durante la descarga y el revestimiento de litio inverso al ánodo durante la carga. 

Cuando se carga una batería de litio-azufre, con frecuencia ocurre una reacción secundaria inevitable llamada transferencia de polisulfuro de litio. A medida que la batería se carga, el sulfuro de litio se convierte en azufre en el cátodo, pero algunos compuestos de azufre de litio que se oxidan de manera incompleta pueden separarse del cátodo y disolverse en el electrolito, la región líquida de la batería que separa los dos electrodos.

Las baterías de litio-azufre ofrecen una densidad energética  teórica de 2.600 Wh/kg, cinco veces la de las baterías de iones de litio actuales. Además de esta característica también destaca otras importantes propiedades como la tolerancia a la sobrecarga y la ausencia de efecto memoria. 

En este punto, los compuestos de litio-azufre pueden difundirse y reducirse en el ánodo y oxidarse nuevamente en el cátodo. Este proceso puede repetirse una y otra vez de manera que desperdicie la carga de la batería sin ponerla a trabajar. Ahora, los científicos han descubierto cómo una determinada clase de material electrolítico puede reducir la frecuencia de esta reacción, allanando el camino para desarrollar baterías de litio-azufre más eficaces.


Imagine tener acceso a una batería, que tiene el potencial de alimentar su teléfono móvil durante cinco días seguidos, o permitir que un vehículo eléctrico conduzca más de 1000 km sin necesidad de "repostar".

Utilizando los mismos materiales existentes en baterías estándar de iones de litio, los investigadores reconfiguraron el diseño de los cátodos de azufre para que pudieran acomodar cargas de mayor tensión sin una caída en la capacidad o el rendimiento general. Inspirado por una arquitectura de puente única registrada por primera vez en el procesamiento de polvos de detergente en la década de 1970, los científicos han diseñado un nuevo método orientado a crear uniones entre partículas para acomodar el estrés y ofrecer un nivel de estabilidad que no se ve en ninguna batería hasta la fecha.

Los científicos han desarrollado un nanoestructura compuesta por óxidos de zinc que se asemeja y actúa como las vellosidades intestinales. Estas ‘vellosidades prototipo’ absorben los polisulfuros en el electrolito, lo que frena el proceso de degradación de la celda de litio-azufre.

En las pruebas, después de 200 ciclos de carga-descarga, la nanoestructura prototipo perdió solamente el  0,05% de capacidad media por ciclo, lo que supone una tasa de estabilidad similar a la del ion-litio  que oscila entre 0,025 y 0,048 % de pérdida de capacidad media por ciclo.

Hasta la fecha, el problema con las baterías de litio-azufre ha sido que la capacidad del electrodo de azufre es tan grande que se rompe durante los ciclos de carga y descarga, y la ventaja energética desaparece rápidamente. El electrodo se desmorona y la batería se agota rápidamente. Eso sucede porque el electrodo de azufre se expande y contrae a medida que avanza, con un cambio de volumen de cerca del 78%. 

Este diagrama muestra una batería de litio-azufre durante la descarga. Los científicos pudieron observar cómo un cierto tipo de material electrolítico puede reducir el desplazamiento de compuestos de polisulfuro (mostrados como cadenas amarillas y azules) que perjudican el rendimiento de la batería. Fuente: Wikipedia / Creative Commons
El cambio de volumen también ocurre en los electrodos de las baterías de iones de litio que alimentan los vehículos eléctricos y los smartphones, pero es unas ocho veces más pequeño.

Un atractivo rendimiento, unido a unos costes de fabricación más bajos, el suministro abundante de material, la facilidad de procesamiento y una huella ambiental reducida, hacen que este nuevo diseño de batería sea atractivo para futuras aplicaciones  en el mundo real.

Para evitar que el electrodo se desintegre en una batería de litio-azufre, los investigadores proporcionaron a las partículas de azufre más espacio para expandirse y contraerse. Por lo general, las baterías de litio-azufre tienen materiales agregados que unen las partículas en el interior para que la batería no se agriete a medida que se expande. Los científicos usaron una cantidad menor de un material de unión de polímero en su electrodo, y crearon estructuras más separadas entre las partículas de azufre.

Este polímero crea una serie de puentes entre partículas, en lugar de una red densa, que equilibra la resistencia de la batería al agrietamiento con su capacidad de descargar una gran cantidad de energía. De esta manera, la batería de litio-azufre reduciría drásticamente el coste de las baterías para los coches eléctricos y el almacenamiento de la energía eléctrica de la red, porque el azufre es abundante y extremadamente barato.

Para baterías de litio-azufre de alta energía, se precisa un electrodo denso con baja porosidad para minimizar la ingesta de electrolitos, el peso parasitario y el coste de los materiales.

Sin embargo, las baterías de litio-azufre pueden enfrentar problemas éticos similares a las baterías de iones de litio. Los óxidos metálicos en las baterías de iones de litio son típicamente níquel, cobalto o manganeso, que son caros y están asociados a problemas éticos relacionados con la minería del cobalto  en la República Democrática del Congo, por ejemplo.


Fuentes:
- Scientists put the ​"solve" in ​"solvent" for lithium-sulfur battery challenge. https://phys.org/news/2019-11-scientists-solvent-lithium-sulfur-battery.html
- Supercharging tomorrow: Team develops world's most efficient lithium-sulfur battery. https://techxplore.com/news/2020-01-supercharging-tomorrow-team-world-efficient.html
- Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries" Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay2757 , https://advances.sciencemag.org/content/6/1/eaay2757

- Cathode porosity is a missing key parameter to optimize lithium-sulfur battery energy density. https://www.nature.com/articles/s41467-019-12542-6

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