La batería de litio-azufre tiene ventajas sobre las baterías de iones de litio, pero no ha logrado dominar el mercado debido a su corta vida útil. Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del DOE descubrieron recientemente un mecanismo de reacción que podría resolver este problema, prometiendo una tecnología de baterías más sostenible.
Los investigadores descubren un camino inesperado hacia mejores baterías de litio-azufre al visualizar reacciones a escala atómica.
El viaje desde el descubrimiento en el laboratorio hasta la aplicación en el mundo real puede ser largo y lleno de desafíos. Tomemos como ejemplo la batería de litio-azufre. Aunque presenta beneficios significativos sobre las baterías de iones de litio existentes que se utilizan en vehículos, aún tiene que dejar una huella sustancial en el mercado a pesar de años de desarrollo riguroso.
Esta situación puede cambiar en el futuro gracias a los esfuerzos de los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Durante la última década, han realizado varios descubrimientos importantes relacionados con las baterías de litio-azufre. Su última revelación, publicada en Nature, revela un mecanismo de reacción previamente desconocido que aborda una deficiencia importante: la muy corta vida útil de las baterías.
Gui-Liang Xu, químico de la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne, dijo: «Los esfuerzos de nuestro equipo podrían acercar a Estados Unidos un gran paso hacia un panorama de transporte más ecológico y sostenible».
Las baterías de litio-azufre ofrecen tres ventajas importantes sobre las actuales baterías de iones de litio. En primer lugar, pueden almacenar de dos a tres veces más energía en un volumen determinado, lo que da como resultado una mayor autonomía del vehículo. En segundo lugar, su menor coste, facilitado por la abundancia y accesibilidad del azufre, los hace económicamente viables. Por último, estas baterías no dependen de recursos críticos como el cobalto y el níquel, que podrían sufrir escasez en el futuro.
Diferentes vías de reacción desde polisulfuro de litio (Li₂S₆) hasta sulfuro de litio (Li₂S) en baterías de litio-azufre con (izquierda) y sin (derecha) catalizador en el cátodo de azufre. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne
A pesar de estos beneficios, la transición del éxito de laboratorio a la viabilidad comercial ha resultado difícil. Las células de laboratorio han mostrado resultados prometedores, pero cuando se amplían a tamaño comercial, su rendimiento disminuye rápidamente con cargas y descargas repetidas.
La causa subyacente de esta disminución del rendimiento radica en la disolución del azufre del cátodo durante la descarga, lo que lleva a la formación de polisulfuros de litio solubles (Li2S6). Estos compuestos fluyen hacia el electrodo negativo (ánodo) de metal litio durante la carga, lo que agrava aún más el problema. En consecuencia, la pérdida de azufre del cátodo y los cambios en la composición del ánodo perjudican significativamente el rendimiento de la batería durante el ciclo.
En un estudio anterior reciente, los científicos de Argonne desarrollaron un material catalítico que, cuando se agregaba en pequeñas cantidades al cátodo de azufre, esencialmente eliminaba el problema de la pérdida de azufre. Aunque este catalizador se ha mostrado prometedor tanto en células de laboratorio como de tamaño comercial, su mecanismo de funcionamiento a escala atómica sigue siendo un enigma hasta ahora.
La última investigación del equipo ha aclarado este mecanismo. En ausencia del catalizador, se forman polisulfuros de litio en la superficie del cátodo y sufren una serie de reacciones, convirtiendo finalmente el cátodo en sulfuro de litio (Li2S).
«Pero la presencia de una pequeña cantidad de catalizador en el cátodo marca la diferencia», dijo Xu. «Sigue una vía de reacción muy diferente, libre de pasos de reacción intermedios».
La clave es la formación de densas burbujas a nanoescala de polisulfuros de litio en la superficie del cátodo, que no aparecen sin el catalizador. Estos polisulfuros de litio se propagan rápidamente por toda la estructura del cátodo durante la descarga y se transforman en sulfuro de litio que consiste en cristalitos a nanoescala. Este proceso previene la pérdida de azufre y la disminución del rendimiento en celdas de tamaño comercial.
Para descubrir esta caja negra que rodea el mecanismo de reacción, los científicos emplearon técnicas de caracterización de vanguardia. El análisis de la estructura del catalizador con los intensos haces de rayos X de sincrotrón en la línea de luz 20-BM de Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, reveló que desempeña un papel fundamental en la vía de reacción. La estructura del catalizador afecta la forma y composición del producto final en la descarga, así como los productos intermedios. Con el catalizador se forma sulfuro de litio nanocristalino tras su descarga completa. Sin el catalizador, se forman estructuras en forma de varilla a microescala.
Otra técnica vital, desarrollada en la Universidad de Xiamen, permitió al equipo visualizar la interfaz electrodo-electrolito a nanoescala mientras se ejecutaba una celda de prueba. Esta técnica recién inventada ayudó a conectar los cambios a nanoescala con el comportamiento de una celda en funcionamiento.
«Basándonos en nuestro apasionante descubrimiento, realizaremos más investigaciones para diseñar cátodos de azufre aún mejores», señaló Xu. «También valdría la pena explorar si este mecanismo se aplica a otras baterías de próxima generación, como las de sodio y azufre».
Con esta última innovación del equipo, el futuro de las baterías de litio-azufre parece más brillante y ofrece una solución más sostenible y respetuosa con el medio ambiente para la industria del transporte.
Referencia: “Visualización del comportamiento de reacción colectiva interfacial de las baterías Li-S” por Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng -Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng, Ling Huang, Yu Qiao, Gui-Liang Xu, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun y Hong-Gang Liao, 6 de septiembre de 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06326-8
Además de Xu, los autores incluyen a Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng. , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun y Hong-Gang Liao.
Otras instituciones participantes incluyen la Universidad de Xiamen, la Universidad de Tecnología Química de Beijing y la Universidad de Nanjing. La investigación de Argonne fue apoyada por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE en la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable.
Esta investigación utilizó recursos de Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU. operada para la Oficina de Ciencias del DOE por el Laboratorio Nacional Argonne bajo el contrato No. DE-AC02-06CH11357.
