Nueva batería de Litio-Azufre. Doble densidad energética, misma durabilidad que las ion litio

Un equipo de investigadores de Corea del Sur e Italia ha publicado sus resultados en la fabricación de un novedoso diseño de batería de litio-azufre, que muestra un rendimiento comparable al de las baterías de ion litio, pero con más del doble de la densidad de energía.

Los resultados muestras una alta capacidad por encima de los 500 ciclos, una durabilidad superior a lo ofrecido normalmente para este tipo de baterías que junto con su alta densidad energética las postulan como candidatas para su uso en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala.

El equipo ha demostrado una alta fiabilidad para estas prometedoras baterías de litio-azufre con un rendimiento comparable al de las baterías de ion litio disponibles comercialmente, ofreciendo al mismo tiempo más del doble de densidad energética que estas. El equipo, dirigido por un grupo de la Universidad de Hanyang, utiliza un cátodo de azufre con una doble composición (azufre y polisulfuro) y un ánodo de nanoesferas de silicio-óxido de silicio (Si / SiOx) litiadas.

En un artículo de la revista ACS Nano Letters, se explica cómo la celda de litio-azufre, que mostró un rendimiento excelente en términos de capacidad específica y una sobresaliente eficiencia de carga-descarga, tiene además una vida útil muy elevada en comparación a otras baterías de este tipo.

Las baterías de litio-azufre son una de las tecnologías promesa para la próxima generación de acumuladores. Usando una materia prima de bajo coste y gran abundancia para el cátodo, el azufre tiene una capacidad teórica de 1675 mAh/g, pudiendo llegar a ofrecer una densidad energética de 2500 Wh/kg. Su mayor defecto, lo que limita su comercialización, es la baja estabilidad de los electrodos de azufre, que tienden a degradarse por la formación de polisulfuros de litio que se disuelven en el electrolito.

Para atajar estos problemas los investigadores diseñaron una celda de LiS utilizando un cátodo de azufre compuesto, un ánodo de silicio con nanoesferas de silica litiadas y un electrolito líquido optimizado para el conjunto. El cátodo consiste en un material compuesto de carbono activado y azufre montado sobre un electrodo de difusión de gas (como en una pila de combustible) en contacto con una solución a la que se ha añadido el polisulfito, Li2S8. Este sistema de cátodo proporciona una capacidad máxima de ~1300 mAh/g y probablemente sea el encargado de evitar la formación de polisulfuros en el electrolito.

A una tasa de descargas C/3 el cátodo muestra una capacidad de ~ 1000 mAh/g y una eficiencia Coulómbiaca de más del 99,3%, mantenimiento la capacidad por encima de 99% de la capacidad inicial incluso después de 100 ciclos. El ánodo muestra un comportamiento muy estable para más de 100 ciclos con una capacidad tan alta como 800 mAh/g y una eficiencia cercana al 100%.

A partir de ahí la capacidad baja manteniendo un 85% de la capacidad inicial y una capacidad específica cercana a los 750 mAh/g pasados los 500 ciclos. Esta estabilidad es un comportamiento prometedor y refleja una gran durabilidad. Para la celda completa los autores declararon un voltaje promedio alrededor de 1,8 V, y a una densidad de energía de 497 Wh/kg.

Dejando claro que estos son resultados preliminares que aun pueden ser mejorados antes de su comercialización, los autores creen que «estos resultados podrían avanzar en el desarrollo práctico de baterías de litio-azufre, especialmente para su uso en los mercados emergentes, incluyendo dispositivos portátiles, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala para energías renovables.»

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