La tecnología del litio-azufre lleva unos años siendo una prometedora alternativa que permitirá desarrollar baterías de mayor densidad energética, pero además formada por materiales abundantes y económicos. El principal problema al que se enfrentan este tipo de celdas son su corta vida útil. Algo que un equipo de la Universidad de California en Irvine indica ha logrado solucionar.
Como recordamos, las baterías de litio-azufre usan materias primas de bajo coste y gran abundancia para el cátodo, como el azufre. Un material que tiene una capacidad teórica de 1675 mAh/g. 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 solucionar este problema, el equipo de Nicholas Kotov, profesor de ciencias químicas e ingeniería de la Universidad Irving, ha usado una red de nanofibras de aramida, una categoría de fibra sintética, robusta y resistente al calor, que puede ser extraída de Kevlar reciclado.
Esta según el grupo de investigadores puede permitir que las baterías de litio-azufre superen su gran reto de su corta vida útil que hasta ahora limitaba los mejores ejemplo a unos pocos cientos de ciclos de carga y descarga, e incluso en estos casos se ha logrado a costa de reducir aspectos como la potencia de salida, la de carga o su estabilidad térmica.
Para este diseño el equipo ha aplicado ingeniería biomimética en dos escalas: molecular y nanoescala. Por primera vez, han integrado la selección iónica de las membranas biológicas y la dureza del cartílago
Anteriormente los trabajos se habían fundamentado en redes de nanofibras de aramida infundidas con un gel electrolítico para detener una de las principales causas del corto ciclo de vida útil de estas celdas: las dendritas que crecen de un electrodo al otro y que perforan la membrana. Unas dendritas que son detenidas por las fibras de aramida.
Pero las baterías de litio-azufre según Nicholas Kotov tienen otro problema: se forman pequeñas partículas de litio y azufre que fluyen hacia el ánodo, se adhieren y con el paso del tiempo reducen la capacidad de la batería. La membrana necesitaba permitir que los iones de litio fluyeran del litio al azufre y viceversa, y bloquear las partículas de litio y azufre, conocidas como polisulfuros de litio.
Esta capacidad se denomina selectividad iónica, un sistema de canales por donde pueden pasar los iones de litio, pero no así los polisulfuros de litio, que se ven detenidos.
El resultado es un tipo de celda de litio-azufre que según sus diseñadores, roza la perfección de esta química. Algo que le permitirá acercarse al límite teórico de la tecnología que como hemos visto anteriormente es de 1.675 mAh/g. algo que sobre el papel permitirá desarrollar baterías con una energía específica de 2500 Wh/kg, o 10 veces las capacidades actuales medias del sector.
Además estas baterías contarán con una vida útil incluso usando habitualmente la recarga rápida de más de 1.000 ciclos. Algo que podría no ser muy llamativo a primera vista, pero que en una batería de esta densidad energética supondrá más de 10 años de uso intensivo.
Además de mayor densidad energética, las baterías de litio-azufre tienen ventajas en otros aspectos como es la sostenibilidad. El azufre es mucho más abundante que algunos materiales usados en los sistemas actuales, como el cobalto. Además, las fibras de aramida de la membrana se pueden reciclar a partir de chalecos antibalas antiguos, e incluso reutilizarse una vez terminada la vida útil de la propia batería.
Fuente | Nature
