Híbridos y Eléctricos

INVESTIGACIÓN DE LA UNIVERSIDAD DE DREXEL

Por casualidad, descubren una forma rara del azufre que permite baterías Li-S con 4.000 ciclos de vida

El equipo de investigadores de la Universidad de Drexel ha logrado un gran avance al descubrir una fase rara del azufre que evita reacciones químicas dañinas y permitirá a las baterías de litio-azufre una larga vida útil y una alta densidad energética.

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Un descubrimiento inesperado puede hacer de las baterías de litio-azufre una solución comercial que triplica la autonomía de los vehículos eléctricos.

La búsqueda de materiales abundantes y económicos que eleven el rendimiento de las baterías de los vehículos eléctricos, además de reducir su coste, tiene parte de sus esperanzas puestas en el azufre. Las baterías de litio-azufre prometen grandes capacidades energéticas pero tienen su hándicap principal en la rápida degradación que sufren con los ciclos de carga y descarga, lo que se traduce en una escasa vida útil. Los ingenieros de la Universidad de Drexel han logrado un gran avance al aprovechar una rara fase química del azufre para evitar las reacciones químicas dañinas que las degradan.

La tecnología de las baterías de Li-S es una de las más prometedoras en la actualidad por sus ventajas técnicas, económicas y medioambientales. El azufre es abundante y su cadena de suministro es menos problemática que la del cobalto, el manganeso y el níquel que se usan en las baterías actuales. En el caso de los vehículos eléctricos, su mayor capacidad energética y su menor coste podrían ayudar a reducir la brecha de precio y de autonomía respecto a los modelos de combustión.

Sin embargo, a diferencia de las de iones de litio, la reacción química que se produce en el interior de las baterías de azufre conduce a la acumulación de sulfuro de litio sólido y polisulfuro de litio líquido. A medida que la batería se carga y se descarga estos llegan al electrolito, la solución que transporta la carga entre el ánodo y el cátodo, donde desencadenan reacciones químicas que comprometen la capacidad y la vida útil de la batería. Provocan una pérdida de material activo en el cátodo de azufre (electrodo negativo) y la corrosión del ánodo de litio (electrodo positivo).

Una solución que ha tenido cierto éxito ha sido cambiar el electrolito de carbonato por un electrolito de éter, que no reacciona con los polisulfuros. Pero plantea otros problemas, ya que el electrolito de éter en sí mismo es altamente volátil y contiene componentes con puntos de ebullición bajos, lo que significa que la batería podría fallar o derretirse rápidamente si se calienta por encima de la temperatura ambiente.

La investigación realizada por los científicos de la Universidad de Drexel, en Filadelfia, EE.UU., publicada en la revista Communication Chemistry, ha trabajado siguiendo otra estrategia. Su solución se basa en el diseño de un nuevo cátodo que puede funcionar con los electrolitos de carbonato que ya están en uso comercial. Este cátodo está hecho de nanofibras de carbono y se ha demostrado que ralentiza el movimiento de polisulfuros en un electrolito de éter. “Un cátodo que funcione con el electrolito de carbonato que ya se está empleando es el camino de menor resistencia para los fabricantes”, asegura Vibha Kalra, directora de la investigación. “En lugar de presionar para que la industria adopte un nuevo electrolito, nuestro objetivo era hacer un cátodo que pudiera funcionar en el sistema de electrolito de iones de litio existente”.

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Una fase rara del azufre elimina el riesgo de formación de polisulfuro en las baterías de litio-azufre.

Utilizando una técnica llamada disposición de vapor, los científicos trataron de confinar el azufre en la malla de nanofibras de carbono para evitar las peligrosas reacciones químicas. Sin embargo, no lograron el efecto deseado. En realidad cristalizó el azufre de una manera inesperada convirtiéndolo en azufre monoclínico en fase gamma, una forma ligeramente alterada del elemento. Esta fase química del azufre solo se había producido a altas temperaturas en el laboratorio u observado en pozos de petróleo en la naturaleza. Lo mejor es que no reacciona con el electrolito de carbonato, lo que elimina el riesgo de formación de polisulfuro.

Según explica Rahul Pai, coautor de la investigación, "al principio, era difícil creer que esto era lo que estábamos detectando, porque en todas las investigaciones anteriores, el azufre monoclínico ha sido inestable por debajo de los 95 °C. En el siglo pasado, solo ha habido un puñado de estudios que produjeron azufre gamma monoclínico y solo ha sido estable durante 20-30 minutos como máximo”, añade. Los científicos se encontraron con un cátodo capaz de experimentar miles de ciclos de carga y descarga sin disminuir su rendimiento. “Un año después nuestro examen muestra que la fase química se ha mantenido igual”.

El cátodo se mantuvo estable durante un año de pruebas y 4.000 ciclos de carga y descarga, lo que, según los científicos, equivale a 10 años de uso regular. El prototipo de batería que se utilizó en el laboratorio ofrecía el triple de la capacidad de una batería estándar de iones de litio que implementada en un vehículos eléctricos multiplicaría sensiblemente su autonomía con cada carga.

“Si bien todavía estamos trabajando para comprender el mecanismo exacto que hay detrás de la creación de este azufre monoclínico estable a temperatura ambiente, este es un descubrimiento emocionante que podría abrir la puerta para el desarrollo de una tecnología de batería más sostenible y asequible”, asegura Kalra.

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