La promesa de las baterías de litio y azufre

Las baterías de litio-azufre, que son más livianas y baratas que los modelos actuales, pueden ser la próxima generación de celdas de energía que usemos en coches eléctricos o teléfonos móviles, si los científicos pueden hacer que duren más.

La atracción principal es que pueden almacenar mucha más energía que una batería similar utilizando la tecnología actual de iones de litio (Li-ion). Eso significa que pueden durar mucho más tiempo con una sola carga.

También se pueden fabricar en plantas donde se fabrican baterías de iones de litio, por lo que debería ser relativamente sencillo ponerlas en producción.

En lugar de utilizar el costoso cobalto, que es vulnerable a las frágiles cadenas de suministro mundiales, utilizan azufre, que es una materia prima barata disponible como subproducto de la industria petrolera. Y sus costos por unidad de potencia pueden ofrecer ahorros sustanciales.

 

Entonces, ¿qué ocurre?


El principal problema es que las baterías actuales de litio-azufre (Li-S) no se pueden recargar suficientes veces antes de que puedan hacerlas comercialmente viables.

Todo está en la química interna: cargar una batería de Li-S provoca una acumulación de depósitos químicos que degradan la célula y acortan su vida útil.

Los depósitos se forman en delgadas estructuras en forma de árbol llamadas dendritas, que se ramifican desde el ánodo de litio, el electrodo negativo dentro de la batería. Los depósitos degradan el ánodo y el electrolito, que es el medio en el que los iones de litio se desplazan de un lado a otro.

Eso reduce la potencia que la batería puede entregar y también puede terminar provocando un cortocircuito, lo que puede causar que se incendie un electrolito inflamable. Este es un problema bien documentado que puede afectar a las baterías de iones de litio, por lo que la seguridad de la aerolínea requiere que los paquetes de energía de respaldo para los teléfonos móviles se lleven solo en el equipaje de mano, donde es más probable que se detecte o detecte humo o un incendio.

 

Espigas desiguales

Los desarrolladores de celdas de batería han tenido dificultades para volver a depositar el litio de manera suave y uniforme en el ánodo mientras recargan las baterías de litio y azufre, en lugar de hacerlo en los picos irregulares.

Las baterías actuales de litio-azufre pueden funcionar durante unos 50 ciclos de recarga. Por lo tanto, necesitan una mejora sustancial para ser comercialmente viables en los automóviles de pasajeros, un mercado objetivo principal, dice el Dr. Luis Santos, investigador de almacenamiento de energía en el instituto técnico Leitat en Barcelona, España.

Es el coordinador técnico del proyecto LISA, que está trabajando para optimizar los diversos elementos de las baterías de litio-azufre para que sean lo suficientemente compactas y lo suficientemente confiables como para ser utilizadas en coches eléctricos pequeños.

Un objetivo principal es preservar el ánodo de litio para muchos más ciclos de recarga.

Para hacer eso, el socio del consorcio LISA Pulsedeon, de Tampere en Finlandia, usa láseres para depositar el compuesto cerámico en el ánodo en capas de solo unas pocas micras de espesor. Esto protege el ánodo de litio de la degradación y evita el crecimiento de los picos dendríticos rebeldes.

"Tengo mucha confianza en el ánodo", comenta Santos. "Tenemos muy buenos socios trabajando duro y podríamos tener muy buenos resultados muy pronto".

Todos los componentes de la celda de litio-azufre necesitan optimización: desde el ánodo y su capa cerámica protectora, la membrana, el electrolito y el cátodo. Y los socios de LISA están trabajando en varias opciones para cada uno.

Si bien el almacenamiento de células Li-S puede almacenar teóricamente hasta cinco veces la energía de las baterías de iones de litio en masa, también ocupan más volumen, por lo que los investigadores se centran en garantizar que las soluciones sean lo más compactas posible.

 

Electrolito híbrido

Uno de los pasos que los investigadores de LISA están dando es trabajar hacia un electrolito sólido: el material que conduce iones (átomos y moléculas cargadas) que conducen el material entre los terminales positivo y negativo dentro de la batería.

Las baterías de iones de litio convencionales generalmente usan un gel o líquido electrolítico, pero pueden presentar un riesgo de incendio, incluso a bajas temperaturas, por lo que el consorcio LISA está trabajando en un electrolito que minimiza ese riesgo.

Actualmente están experimentando con una combinación de elementos cerámicos sólidos y un polímero flexible y adaptable.

Otro enfoque es incorporar un "fusible químico" en la célula. La idea es encerrar un material que tiene un corte sensible al calor, que se comporta esencialmente como un interruptor de disparo que detiene los flujos eléctricos si la temperatura aumenta demasiado. Santos confía en que el proyecto LISA dará como resultado mejoras sustanciales en la tecnología.

"Incluso si no tenemos un producto final (para vehículos de pasajeros), seguramente tendremos algunos resultados que pueden mejorar las baterías de litio y azufre", dijo.

Gran parte del trabajo de LISA se basa en los resultados de un proyecto llamado ALISE, que fue dirigido por Christophe Aucher, el investigador principal de Leitat en almacenamiento de energía.

El experto afirma que un resultado notable de ALISE fue que el fabricante de automóviles SEAT demostró que la tecnología Li-S ofrecía un 10% mejor rango de conducción que la tecnología de iones de litio para un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV) y aproximadamente un 2% mejor para una batería eléctrica vehículo (BEV): de una batería, aproximadamente un 15% más ligero que el equivalente.


"Estamos hablando de una tecnología con solo este bajo nivel de madurez, por lo que fue algo sorprendente", afirma Aucher.

 

Drones

Esa investigación también mostró importantes ahorros potenciales de costos, con Li-S potencialmente disponible a aproximadamente € 72 por kWh, un 30% menos que la tecnología de iones de litio comparable.

Pero las baterías de ALISE solo podían pasar unos 50 ciclos antes de que fallaran y Aucher sugirió que necesitarían aproximadamente 20 veces más para ser viables en vehículos eléctricos pequeños.

Perfeccionar esto precisamente llevaría algún tiempo como para ser un verdadero producto de mercado masivo en vehículos pequeños.

"Para la integración masiva (en automóviles de pasajeros), estamos hablando de (algo así como) dentro de 10 años", aclaró el experto.

Mientras tanto, la tecnología está demostrando ser útil en aplicaciones donde el volumen no es tan crítico como la masa.

OXIS Energy, un socio de ambos proyectos y con sede cerca de Oxford en el Reino Unido, está trabajando con Mercedes-Benz para fabricar baterías de autobuses, donde un volumen ligeramente mayor se ve compensado por un ahorro sustancial de peso, lo que permite transportar más pasajeros.

Y las células de litio-azufre ya se usan en dispositivos que requieren baterías livianas y pueden funcionar durante mucho tiempo con una sola carga, como drones o satélites.

 

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