Un nuevo avance en la química de cátodos despeja el camino a las baterías de litio-azufre que triplican la capacidad de las de ion-litio y duran 10 años

Un avance reciente de los investigadores de la Facultad de Ingeniería de la**Universidad de Drexel,** publicado en la revista Communications Chemistry, proporciona una forma de sortear los obstáculos que han sometido a las baterías de Li-S en el pasado, y finalmente pone la tecnología buscada al alcance comercial.

Su descubrimiento es una nueva forma de producir y estabilizar una forma rara de azufre que funciona en electrolitos de carbonato, el líquido de transporte de energía utilizado en las baterías comerciales de iones de litio. Este desarrollo no solo haría que las baterías de azufre fueran comercialmente viables, sino que tendrían tres veces la capacidad de las baterías de iones de litio y durarían más de 4.000 recargas, el equivalente a 10 años de uso, lo que también es una mejora sustancial.

“El azufre ha sido muy deseable para su uso en baterías durante varios años porque abunda en la tierra y se puede recolectar de una manera segura y respetuosa con el medio ambiente, y como hemos demostrado ahora, también tiene el potencial de mejorar la desempeño de las baterías en vehículos eléctricos y dispositivos móviles de una manera comercialmente viable”, dijo Vibha Kalra, profesora de la cátedra George B. Francis en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidadde Drexel , quien dirigió la investigación.

El desafío de introducir azufre en una batería de litio con electrolito de carbonato comercialmente amigable ha sido una reacción química irreversible entre los productos intermedios de azufre, llamados polisulfuros y el electrolito de carbonato. Debido a esta reacción adversa, los intentos anteriores de usar un cátodo de azufre en una batería con una solución de electrolito de carbonato resultaron en un apagado casi inmediato y un fallo completo de la batería después de solo un ciclo.

El avance del cátodo de azufre de Drexel podría allanar el camino para baterías de mejor rendimiento y de origen sostenible para vehículos eléctricos, computadoras y dispositivos móviles.

Las baterías de Li-S ya han demostrado un rendimiento excepcional en entornos experimentales utilizando un electrolito de éter, en lugar de carbonato, porque el éter no reacciona con los polisulfuros. Pero estas baterías no serían comercialmente viables porque el electrolito de éter es altamente volátil y tiene componentes con un punto de ebullición tan bajo como 42 grados centígrados, lo que significa que cualquier calentamiento de la batería por encima de la temperatura ambiente podría provocar un fallo o fusión.

“En la última década, la mayoría del campo de Li-S adoptó electrolitos de éter para evitar las reacciones adversas con el carbonato”, dijo Kalra. “Luego, a lo largo de los años, los investigadores profundizaron en la mejora del rendimiento de las baterías de azufre a base de éter al mitigar lo que se conoce como transporte/difusión de polisulfuro, pero el campo pasó por alto por completo el hecho de que el electrolito de éter en sí mismo es un problema. En nuestro trabajo, el objetivo principal era reemplazar el éter con carbonato, pero al hacerlo también eliminamos los polisulfuros, lo que también significaba que no había trasbordos, por lo que la batería podía funcionar excepcionalmente bien durante miles de ciclos”.

La investigación anterior del equipo de Kalra también abordó el problema de esta manera: produjo un cátodo de nanofibras de carbono que ralentizó el efecto de lanzadera en las baterías de Li-S basadas en éter al reducir el movimiento de polisulfuros intermedios. Pero para mejorar la ruta comercial de los cátodos, el grupo se dio cuenta de que necesitaba hacerlos funcionar con un electrolito comercialmente viable.

“Tener un cátodo que funcione con el electrolito de carbonato que ya están usando es el camino de menor resistencia para los fabricantes comerciales”, dijo Kalra. “Entonces, en lugar de presionar para que la industria adopte un nuevo electrolito, nuestro objetivo era hacer un cátodo que pudiera funcionar en el sistema de electrolito de iones de litio preexistente”.

Entonces, con la esperanza de eliminar la formación de polisulfuro para evitar reacciones adversas, el equipo intentó confinar el azufre en el sustrato del cátodo de nanofibras de carbono utilizando una técnica de deposición de vapor. Si bien este proceso no logró incrustar el azufre dentro de la malla de nanofibras, hizo algo extraordinario, que se reveló cuando el equipo comenzó a probar el cátodo.

“Cuando comenzamos la prueba, comenzó a funcionar maravillosamente, algo que no esperábamos. De hecho, lo probamos una y otra vez, más de 100 veces, para asegurarnos de que realmente estábamos viendo lo que pensábamos que estábamos viendo”, dijo Kalra. "El cátodo de azufre, que sospechábamos que haría que la reacción se detuviera, en realidad se desempeñó sorprendentemente bien y lo hizo una y otra vez sin causar interrupciones".

Luego de una investigación más profunda, el equipo descubrió que durante el proceso de depósito de azufre en la superficie de la nanofibra de carbono, cambiándola de gas a sólido, cristalizó de una manera inesperada, formando una ligera variación del elemento, llamado azufre monoclínico en fase gamma. Esta fase química de azufre, que no es reactiva con el electrolito de carbonato, anteriormente solo se había creado a altas temperaturas en laboratorios y solo se ha observado en la naturaleza en el ambiente extremo de los pozos de petróleo.

"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 95 grados centígrados", dijo Rahul Pai, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica y coautor de la investigacion “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 habíamos creado en 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”.

Después de más de un año de pruebas, el cátodo de azufre se mantiene estable y, como informó el equipo, su rendimiento no se ha degradado en 4.000 ciclos de carga y descarga, lo que equivale a 10 años de uso regular. Y, como se predijo, la capacidad de la batería es más del triple que la de una batería de iones de litio.

“Si bien todavía estamos trabajando para comprender el mecanismo exacto detrás de la creación de este azufre monoclínico estable a temperatura ambiente, este sigue siendo un descubrimiento emocionante y podría abrir una serie de puertas para desarrollar una tecnología de batería más sostenible y asequible”, dijo Kalra.

Reemplazar el cátodo en las baterías de iones de litio por uno de azufre aliviaría la necesidad de obtener cobalto, níquel y manganeso. Los suministros de estas materias primas son limitados y no se extraen fácilmente sin causar riesgos para la salud y el medio ambiente. El azufre, por otro lado, se encuentra en todas partes del mundo y existe en grandes cantidades en los Estados Unidos porque es un producto de desecho de la producción de petróleo.

Kalra sugiere que tener un cátodo de azufre estable, que funcione en electrolito de carbonato, también permitirá a los investigadores avanzar en el examen de 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 batería de Li-S viable abre una serie de vías para reemplazar estos materiales”.