Para satisfacer las demandas de un futuro cada vez más electrificado, los nuevos desarrollos en baterías serán esenciales. Una opción son las baterías de litio-azufre (Li-S), que ofrecen una densidad de energía teórica más de cinco veces mayor que la de las baterías de ion litio. **Estas baterías **se presentan como una clara alternativa a las de iones de litio en cuanto a reducir el impacto ambiental que supone su fabricación para coches eléctricos. Elementos como el cobalto, el litio o las tierras raras son un factor limitante para su adopción a gran escala, pero esa tecnología permite reducir los tiempos de carga, el peso y el coste, y sin olvidar las mejoras en materia de seguridad.
Investigadores de la Universidad de Tecnología de Chalmers, Suecia, han revelado un avance prometedor en el informe IDTechEx sobre Advanced Li-Ion and Beyond Li-Ion Battery 20182-2028 para este tipo de batería, utilizando un catolito con la ayuda de una esponja de grafeno.
La esponja de grafeno es un material blanducho hecho fusionando láminas arrugadas de óxido de grafeno, y la novedosa idea de los investigadores es utilizar este aerogel poroso, similar a una esponja, hecho de óxido de grafeno reducido, para que actúe como un electrodo independiente en la celda de la batería y permita una mejor y mayor utilización del azufre.
Una batería tradicional consta de cuatro partes. Primero, hay dos electrodos de soporte recubiertos con una sustancia activa, que se conocen como ánodo y cátodo. Entre ellos hay un electrolito, generalmente un líquido, que permite que los iones se transfieran de un lado a otro. El cuarto componente es un separador, que actúa como una barrera física, impidiendo el contacto entre los dos electrodos y al mismo tiempo permite la transferencia de iones. Los investigadores previamente experimentaron con la combinación del cátodo y el electrolito en un líquido, el llamado "catolito". El concepto puede ayudar a ahorrar peso en la batería, así como a ofrecer una carga más rápida y mejores capacidades de energía. Ahora, con el desarrollo de la esponja de grafeno, el concepto ha demostrado ser viable y ofrece resultados muy prometedores.
Tomando una batería de celda como prototipo estándar, los investigadores primero insertan una capa delgada del aerogel de grafeno poroso.
"Colocas el aerogel, que es un cilindro largo y delgado, y luego lo cortas, casi como si fuera un salami. Coges esa rodaja y la comprimes para que quepa en la batería", dice Carmen Cavallo, del Departamento de Física de Chalmers, e investigadora principal del estudio, "y luego, añades a la batería una solución rica en azufre, el catolito".
El aerogel altamente poroso actúa como soporte, absorbiendo la solución como una esponja. "La estructura porosa del aerogel de grafeno es clave. Absorbe una gran cantidad de catolito, lo que le proporciona una carga de azufre lo suficientemente alta como para que el concepto de catolito valga la pena. Este tipo de catolito semilíquido es realmente esencial aquí. Permite que el azufre para avanzar y retroceder sin ninguna pérdida. No se pierde por la disolución, porque ya está disuelta en la solución de catolito ", añade Cavallo.
Parte de la solución de catolito se aplica también al separador para que cumpla su función de electrolito. Esto también maximiza el contenido de azufre de la batería. La mayoría de las baterías actualmente en uso, desde teléfonos móviles hasta automóviles eléctricos, son baterías de iones de litio. Pero este tipo de batería está llegando a sus límites, por lo que las nuevas químicas se están volviendo esenciales para las aplicaciones con mayores requisitos de energía.
Las baterías de litio -azufre ofrecen varias ventajas, incluida una densidad de energía mucho mayor. Las mejores baterías de ion litio actualmente en el mercado funcionan a aproximadamente 300 vatios-hora por kg, con un máximo teórico de alrededor de 350. Mientras tanto, las baterías de litio-azufre tienen una densidad de energía teórica de alrededor de 1000-1500 vatios-hora por kg.
"Además, el azufre es barato, altamente abundante y mucho más respetuoso con el medio ambiente. Las baterías de litio-azufre también tienen la ventaja de no tener que contener flúor nocivo para el medio ambiente, como se encuentra comúnmente en las baterías de ión litio", señala por su parte Aleksandar Matic, profesor de Chalmers del Departamento de Física, quien lidera el grupo de investigación.
El problema con las baterías de litio-azufre hasta ahora ha sido su inestabilidad y la consiguiente vida útil del ciclo bajo. Las versiones actuales se degeneran rápidamente y tienen una vida útil limitada con un número de ciclos imprácticamente bajo. Pero al probar su nuevo prototipo, los investigadores de Chalmers demostraron una retención de capacidad del 85% después de 350 ciclos. El nuevo diseño evita los dos problemas principales con la degradación de las baterías de litio-azufre: una, que el azufre se disuelve en el electrolito y se pierde, y dos, un "efecto de arrastre", por el cual las moléculas de azufre migran desde el cátodo al ánodo. En este diseño, estos problemas indeseables pueden reducirse drásticamente.
Los investigadores señalan, sin embargo, que todavía hay un largo camino por recorrer antes de que la tecnología pueda alcanzar el potencial completo del mercado. "Dado que estas baterías se producen de manera alternativa a la mayoría de las baterías normales, será necesario desarrollar nuevos procesos de fabricación para que sean comercialmente viables", concluye Matic.
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