Híbridos y Eléctricos

LABORATORIO DE ARGONNE

Un nuevo avance en las baterías de azufre elimina su principal problema: la durabilidad

La creación de una capa intermedia redox activa dentro de la batería agrega un extra de capacidad de almacenamiento de energía, eliminando el mayor inconveniente de las baterías de azufre.

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Las baterías de litio-azufre pueden convertirse en una alternativa a las de iones de litio que se emplean actualmente.

Las baterías de litio-azufre (Li-S) pueden alcanzar, teóricamente, densidades energéticas de hasta 2.600 Wh/kg, lo que las convierte en una de las principales alternativas a las de iones de litio tradicionales. Su química es atractiva para la industria, puesto que el material activo del cátodo, el azufre, es muy abundante en la naturaleza. Su empleo permite controlar los costes de la producción además de hacerlas más sostenibles.

Las primeras baterías de litio-azufre no funcionaban bien. A diferencia de las de iones de litio, la reacción química que se produce en su interior conduce a la acumulación de sulfuro de litio sólido y polisulfuro de litio que se disuelven en el electrolito, lo que se traduce directamente en la corrosión del ánodo de litio. Este efecto de transporte de polisulfuro afecta negativamente a la vida útil de la batería. Reduce la cantidad de veces que se puede recargar la batería y, por lo tanto, se traduce en una vida útil muy limitada. Este inconveniente es la barrera más importante para la comercialización de baterías Li-S.

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Ilustración de diferentes baterías de Li-S: (a) y (b) con capas intermedias redox inactivas y bajo contenido en azufre y (c) capa intermedia activa con alto contenido en azufre.

Un gran logro para evitar la degradación

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne ha alcanzado un importante avance en la investigación de este tipo de baterías. Su trabajo, publicado en la revista Nature Communications, ha consistido en la creación de una capa intermedia redox activa dentro de la batería que agrega capacidad de almacenamiento de energía y elimina prácticamente el problema de su escasa durabilidad.

Hasta ahora, otros intentos por evitar el transporte de polisulfuro se han basado en la colocación de una capa intermedia inactiva redox entre el cátodo de azufre y el ánodo de litio. Sin embargo, al ser pesada y densa, reducía la capacidad de almacenamiento de energía por unidad de peso de la batería. Además, tampoco lograba frenar adecuadamente el desplazamiento del polisulfuro.

Para abordar el problema, los investigadores desarrollaron y probaron una nueva capa intermedia porosa que contiene azufre. Las pruebas en el laboratorio mostraron que la capacidad inicial era aproximadamente tres veces mayor en las células Li-S que contenían esta capa intermedia activa en lugar de la inactiva. Pero, lo más importante, es que esta capacidad se mantuvo durante 700 ciclos de carga y descarga.

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Microestructura de una capa intermedia porosa que contiene azufre después de 500 ciclos de carga y descarga en una celda de litio y azufre. /IMAGEN: Laboratorio Nacional de Argonne.

Para estudiar más a fondo esta capa activa redox, el equipo realizó una serie de experimentos utilizando la fuente de fotones avanzados (APS) de Argonne, una instalación abierta de la Oficina de Ciencias del DOE. Los datos recopilados de la exposición de las celdas a los haces de rayos X permitieron al equipo determinar sus beneficios.

Confirmaron que una capa intermedia redox limita el transporte de polisulfuros, reduce las reacciones perjudiciales dentro de la batería y aumenta su capacidad para retener más carga y soportar más ciclos. Ahora, el siguiente paso, es evaluar el potencial de crecimiento de esta tecnología para implementarla a mayor escala, hasta llegar a comprobar su funcionamiento en baterías que puedan emplearse en aplicaciones de alta demanda de energía.

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