Más de 1.000 km de autonomía reales: esta batería de litio y azufre utiliza cloro para alcanzar 477 Wh/kg

Hace ya más de 15 años que estamos hablando de una química de baterías con gran potencial, las celdas de litio y azufre, que llevan mucho tiempo posicionadas como una de las alternativas con mayor potencial para superar las limitaciones de las baterías actuales. El azufre es abundante, relativamente barato y tiene una capacidad de almacenamiento muy elevada por unidad de masa, pero su aplicación práctica se ha encontrado con varios problemas, especialmente relacionados con su baja tensión de funcionamiento, la degradación y el movimiento de compuestos de azufre dentro de la batería.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Vanderbilt y la Universidad de Maryland, con la colaboración de científicos de otras instituciones estadounidenses, ha encontrado una forma diferente de aprovechar las propiedades del azufre. El trabajo, publicado en Nature Energy, modifica la reacción química habitual para conseguir que el azufre pueda participar en un proceso adicional durante la carga y la descarga.

La clave está en algo tan sencillo de explicar como difícil de conseguir en la práctica: hacer que cada átomo de azufre pueda intercambiar un tercer electrón. En una batería convencional de litio y azufre, el azufre participa en una reacción en la que intervienen dos electrones. Los investigadores han introducido cloro para ampliar esta reacción y llevar al azufre a un estado químico adicional.

El resultado es especialmente llamativo porque no solo aumenta la cantidad de carga que puede almacenar el azufre. La nueva reacción también funciona a una tensión superior, de modo que se consigue mejorar simultáneamente los dos factores que determinan la energía que puede almacenar una batería: la cantidad de carga y la tensión a la que se entrega.

El tercer electrón cambia las posibilidades del azufre

En las pruebas realizadas por el equipo, la nueva química consiguió aumentar un 58% la capacidad específica del azufre, mientras que la tensión media de funcionamiento pasó de aproximadamente 2,05 a 2,54 voltios. Esa combinación permitió superar los 1.700 Wh/kg a nivel del electrodo, una cifra extraordinariamente elevada para una batería experimental.

La diferencia respecto a una batería convencional de litio y azufre está en la reacción adicional que se produce gracias al cloro. Los investigadores consiguieron convertir de forma reversible el sulfuro de litio en dicloruro de disulfuro mediante un proceso en el que intervienen tres electrones por átomo de azufre, en lugar de los dos habituales.

Esto es importante porque el azufre ya parte de una posición interesante frente a otros materiales empleados en los electrodos. Su abundancia y su elevada capacidad específica han hecho que sea estudiado durante años como alternativa a los materiales utilizados actualmente en las baterías de litio, pero hasta ahora había sido complicado aprovechar todo su potencial sin introducir nuevos problemas.

El equipo tuvo que solucionar precisamente uno de esos problemas antes de poder utilizar el tercer electrón de forma reversible. El cloro debía reaccionar con el azufre durante la carga, pero sin que el compuesto resultante pudiera desplazarse por la batería y terminar reaccionando con el electrodo de litio metálico.

Para conseguirlo, los investigadores recurrieron a simulaciones moleculares que permitieron estudiar el comportamiento de los iones de litio y cloruro en diferentes electrolitos. A partir de esos resultados desarrollaron un electrolito líquido iónico rico en cloruro capaz de mantener el cloruro disponible para la reacción con el azufre.

También seleccionaron una composición en la que el producto generado por la reacción entre el azufre y el cloro no se disuelve fácilmente. De esta forma permanece dentro del electrodo positivo y puede volver a reaccionar durante la descarga, haciendo posible que el proceso sea reversible.

Las pruebas realizadas mediante diferentes técnicas de espectroscopia permitieron confirmar que el azufre efectivamente atraviesa de forma repetida ese nuevo estado químico durante los procesos de carga y descarga. No se trata, por tanto, únicamente de una estimación teórica sobre lo que podría hacer el azufre, sino de una reacción que los investigadores han conseguido observar y repetir en laboratorio.

Pero hay una diferencia importante entre la espectacular cifra de 1.700 Wh/kg y lo que podría conseguir una batería completa. Ese valor corresponde al nivel del electrodo y no representa la densidad energética de un pack listo para instalar en un coche eléctrico. Cuando los investigadores tienen en cuenta otros componentes necesarios para construir una batería funcional, la estimación baja considerablemente.

En concreto, el equipo calcula que la tecnología podría alcanzar 477 Wh/kg a nivel del conjunto de la batería, aproximadamente un 37% más que el sistema convencional de litio y azufre utilizado como referencia en el estudio. Esta cifra sigue siendo una estimación basada en el diseño experimental y no una batería comercial que pueda instalarse actualmente en un coche.

Para comprobar que la nueva química podía funcionar más allá de las pequeñas celdas utilizadas habitualmente en las primeras fases de investigación, los científicos construyeron además una pequeña celda tipo bolsa de una sola capa. Después de 100 ciclos de carga, conservaba el 78% de su capacidad inicial.

Es una cifra que permite demostrar que la reacción puede repetirse, pero que también deja claro cuánto trabajo queda por delante. La celda experimental utiliza un electrodo de litio metálico, cantidades todavía relativamente pequeñas de azufre y una cantidad de electrolito superior a la que sería deseable en una batería comercial.

Precisamente ahí estará uno de los grandes retos para llevar esta química a un coche eléctrico. No basta con conseguir una elevada densidad energética en el material activo. Hay que reducir la cantidad de electrolito, aumentar la proporción de materiales activos, mejorar la duración, controlar las reacciones secundarias y conseguir que todo el sistema pueda fabricarse de forma económica y a gran escala.

La investigación demuestra, eso sí, que el azufre todavía tiene margen para ofrecer más de lo que se pensaba. En lugar de limitarse a mejorar las baterías de litio y azufre convencionales, los investigadores han cambiado la propia reacción química para aprovechar un electrón adicional y elevar al mismo tiempo su tensión de funcionamiento.

Por ahora, hablar de coches eléctricos con baterías capaces de superar los 1.700 Wh/kg sería mezclar dos niveles completamente diferentes de la investigación. Esa cifra pertenece al electrodo experimental. Los propios investigadores sitúan en 477 Wh/kg su estimación cuando se consideran los principales componentes del sistema, y todavía habría que superar numerosos obstáculos antes de alcanzar una batería comercial.

Aun así, el resultado resulta interesante para el automóvil porque una batería que consiguiera acercarse en la práctica a varios cientos de Wh/kg permitiría plantear packs más ligeros para una misma autonomía, o aumentar considerablemente la autonomía sin aumentar en la misma proporción el peso del vehículo. Ese es precisamente uno de los motivos por los que las baterías de litio y azufre llevan tantos años en el punto de mira de la investigación.

El trabajo publicado en Nature Energy demuestra que el camino para conseguirlo no tiene por qué pasar únicamente por añadir más material o mejorar los electrodos convencionales. En este caso, la solución ha consistido en hacer que el azufre participe en una reacción de tres electrones, utilizando el cloro y un electrolito diseñado específicamente para controlar el proceso.

La tecnología está todavía en una fase muy temprana y los propios resultados de ciclo de la celda tipo bolsa reflejan esa situación. Pero el experimento abre una nueva vía dentro de las baterías de litio y azufre y, sobre todo, demuestra que todavía existen formas de extraer más energía de un material tan abundante como el azufre.