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Un descubrimiento casual abre las puertas a las baterías de litio-azufre con el triple de capacidad

Los ingenieros de la universidad de Drexel en Filadelfia se encontraron de manera accidental con una técnica que abre las puertas a la viabilidad comercial de las baterías de litio-azufre. Últimamente se acumulan las noticias positivas en torno las investigaciones para el uso del azufre en las baterías. Incluso se están postulando como el recurso energético para la movilidad de grandes vehículos. Hoy traemos un nuevo avance que acerca las baterías de Li-S a su comercialización definitiva.

El descubrimiento de una nueva forma de azufre permitiría el desarrollo de baterías de litio-azufre comercialmente viables. No sólo tendrían tres veces la capacidad de las baterías actuales si no que soportarían más de 4.000 recargas. Además el azufre es más abundante que el cobalto, el manganeso y el níquel usados en las baterías actuales.

Los precedentes en el uso del azufre en las baterías

En el desafío para introducir azufre en una batería de litio con electrolito de carbonato los científicos siempre se han encontrado con un problema: la formación de unos compuestos químicos llamados polisulfuros. Éstos llegan al electrolito y desencadenan reacciones químicas que comprometen la capacidad y vida útil de la batería.

Los científicos han intentado cambiar el electrolito de carbonato por un electrolito de éter que no reacciona con los polisulfuros. Pero esto plantea otro tipo de problemas. El electrolito de éter es muy volátil y contiene componentes con un punto de ebullición tan bajo como 42º C. Esto significa que la batería puede fallar o fundirse si se calienta por encima de la temperatura ambiente.

Nuevas vías de investigación

El azufre monoclínico gamma se deposita en la superficie externa de las nanofibras de carbono. Las bolas amarillas representan azufre monoclínico gamma depositado en la superficie, las bolas rojas representan sulfuro de litio, el producto formado después de la reducción de azufre.

Los ingenieros químicos de la Universidad de Drexel estaban trabajando en una solución, diseñando un nuevo cátodo que puede funcionar con los electrolitos de carbonato ya existentes comercialmente.

Este cátodo está hecho de nanofibras de carbono que ya había demostrado que frenaba el movimiento de los polisulfuros en un electrolito de éter. Pero había que experimentarlo en el electrolito de carbonato.

Los ingenieros intentaron confinar el azufre en la malla de nanofibras de carbono para evitar la formación de polisulfuros. Y resulta que esto no fue lo que pasó. Lo que ocurrió fue que el azufre se cristalizó de una forma inesperada y se convirtió en azufre monoclínico en fase gamma, una forma ligeramente alterada del elemento. Esta fase química del azufre, que no es reactiva con el electrolito de carbonato, sólo se había observado en la naturaleza o se había producido a altas temperaturas en el laboratorio.

Tras un año de pruebas, y después de 4.000 ciclos de carga y descarga, el cátodo de azufre permaneció estable y no se degradó. Y como era de esperar la capacidad de la batería era más del triple que la de una batería de ion-litio.

El camino hacia la fabricación de baterías más sostenibles

«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 95º C», dijo Rahul Pai, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la universidad de Drexel y coautor de la investigación. «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. Pero lo que habíamos creado era un cátodo que estaba experimentando miles de ciclos de carga y descarga sin disminuir el rendimiento, y un año después, nuestro examen muestra que la fase química se ha mantenido igual».

«Aunque todavía estamos trabajando para comprender el mecanismo exacto que se esconde tras la creación de este azufre monoclínico estable a temperatura ambiente, se trata de un descubrimiento apasionante que podría abrir las puertas para el desarrollo de una tecnología de baterías más sostenible y asequible«, afirma Vibha Kalra, profesora en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Drexel y que dirigió la investigación.

Reemplazar el cátodo en las baterías de iones de litio por uno de azufre aliviaría la necesidad de obtener cobalto, níquel y manganeso y también abre las puertas a los investigadores para descubrir reemplazos para el ánodo de litio, que podría incluir opciones más abundantes en la tierra, como el sodio.

«Salir de la dependencia del litio y otros materiales que son costosos y difíciles de extraer de la tierra es un paso vital para el desarrollo de baterías y la expansión de nuestra capacidad para utilizar fuentes de energía renovable», dijo Kalra. «El desarrollo de una bateria Li-S viable abre una serie de vías para reemplazar estos materiales».

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