Híbridos y Eléctricos

MÁS SEGURAS Y MÁS BARATAS

Las baterías de azufre o selenio y electrolito sólido duplican la autonomía de los coches eléctricos

Las baterías líquidas de litio y selenio con electrolito sólido, SELL-S y SELL-Se, desarrolladas por un equipo de investigadores chinos y americanos, prometen energías específicas y volumétricas superiores a 500 Wh/kg y 1.000 Wh/l.

Baterías líquidas de litio y selenio con electrolito sólido, SELL-S y SELL-Se.
Baterías líquidas de litio y selenio con electrolito sólido, SELL-S y SELL-Se.

Un equipo de investigadores ha desarrollado una batería de Li-S (litio-azufre) y de Li-Se (litio-selenio) líquidos, con electrolito sólido, denominadas SELL-S y SELL-Se. Son capaces de entregar densidades de energía específica y volumétrica superiores a 500 Wh/kg y 1.000 Wh/l. Su capacidad de rendimiento electroquímico estable y el bajo coste de fabricación abren su campo de aplicación para sistemas de almacenamiento concentrado como son los vehículos eléctricos y a gran escala, como los sistemas de almacenamiento estacionarios conectados a la red eléctrica

El estudio de la investigación llevada a cabo por diferentes equipos de las Universidades de Zhengzhou, y Tsinghua en China y de la Universidad de Stanford en California, EE.UU, se publica en un artículo en la revista Joule en el que se explica el trabajo realizado.Desde que se planteó el uso de azufre y selenio en las baterías, los compuestos de Li-S y Li-Se han centrado las investigaciones. Hasta ahora, la atención se había centrado principalmente en baterías con un ánodo sólido de Li-metal, un cátodo de S o de Se también sólido y un electrolito orgánico líquido.

Estructura y diagrama esquemático del sistema de baterías SELL-S y SELL-Se

Estructura y diagrama esquemático del sistema de baterías SELL-S y SELL-Se. (A) Estructura de las baterías. Sección transversal de la batería SELL-S y SELL-Se. (B) Imagen óptica de una celda SELL-S y SELL-Se. (C) Proceso de preparación de partículas secundarias.

Sin embargo, debido al uso del litio sólido y un electrolito orgánico líquido, la estructura de la batería anterior implica problemas intrínsecos que han impedido seriamente su desarrollo. El primero es la inestabilidad de los ciclos de carga y descarga por el gran cambio de volumen que experimentan el S y el Se sólidos. El segundo es la baja eficiencia culómbica (fracción de energía eléctrica que se puede generar) debido al efecto de desplazamiento causado por la disolución de Li- S o el Li-Se en el electrolito orgánico líquido. El tercero son los problemas de seguridad asociados con la alta inflamabilidad del electrolito orgánico líquido por el crecimiento de las dendritas en el ánodo de litio. Estas pequeñas estructuras rígidas que crecen en el interior de una batería de litio como agujas pueden llegar a perforar el separador que evita que los electrodos (cátodo y ánodo) se toquen acelerando los fallos de la batería y provocando incluso su incendio.

Las baterías de iones de litio (LIB) de última generación tienen una densidad de energía inferior a los 300 Wh/kg y a 750 Wh/l. Por pertenecer al mismo grupo de la tabla periódica, VI A o grupo 16 según la IUPAC (anfígenos o calcógenos también llamado familia del oxígeno), el azufre y el selenio, son candidatos prometedores para reemplazar los cátodos comerciales de óxido metálico. Ofrecen alta capacidad energética (1.670 mAh/g), alta densidad de energía teórica (2.600-2800 Wh/kg para el Li-S y 1.160 Wh/kg y 2.530 Wh/l para el Li-Se), y bajo coste (41 $/kWh para el Li-Se y 15 $/kWh para el Li-S, según la proporción de materiales del electrodo).

Esquema de carga y descarga de las baterías SELL-S y SELL-Se

Esquema de carga y descarga de las baterías SELL-S y SELL-Se.

Las baterías SELL-S y SELL-Se están formadas por un ánodo líquido de litio y metal, un cátodo fundido de S o de Se con negro de carbón y un electrolito de tubo de cerámica LLZTO. El cátodo se inserta en un recipiente cilíndrico de acero inoxidable física y electrónicamente separado del ánodo de litio por el tubo LLZTO. El ánodo de metal de litio está dentro del tubo LLZTO, en el que se inserta una varilla de acero inoxidable que sirve como colector de corriente hacia el ánodo y el carbono conductor necesario solo ocupa el 10% del peso total del electrodo, por lo que se minimiza el peso muerto.

El tubo de cerámica LLZTO (litio, lantano, circonio, tantalio y oxígeno) que actúa como electrolito es capaz de trabajar a temperaturas más altas que el punto de fusión del litio. El polisulfuro o poliselenido se encargan de transportar los iones, a la vez que evitan el crecimiento de las dendritas. El resultado es una batería con unas propiedades muy superiores a las actuales de iones de litio: alta densidad de energía, alta estabilidad, gran capacidad de carga y descarga rápida, alto rendimiento culómbico y alta eficiencia energética. 

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