Investigadores del Helmholtz miran al interior de las baterías de litio-azufre
Se espera que las baterías de litio-azufre sean más ligeras, baratas y sostenibles que las baterías de iones de litio convencionales. Las baterías de iones de litio actuales alcanzan densidades energéticas de unos 250 Wh/kg. En cambio, las baterías de litio-azufre podrían alcanzar más de 700 Wh/kg. Esto significa que para la misma cantidad de energía, la batería sería mucho más ligera, una ventaja para los coches eléctricos, los drones, los aviones y la tecnología espacial. El azufre también es abundante como materia prima y sustituye a metales críticos como el cobalto y el níquel.
Sin embargo, aún existen obstáculos que frenan esta tecnología. Por ejemplo, se sabe relativamente poco sobre los mecanismos que pueden provocar el fallo de estas baterías Li-S. Un equipo de investigación del Centro Helmholtz de Berlín (HZB) ha investigado ahora este problema con más detalle, centrándose en el electrolito.
Para que una pila funcione, necesita un electrolito líquido. Éste se extiende entre los electrodos y permite el transporte de las partículas cargadas. Si se quiere construir una pila especialmente ligera, hay que reducir al máximo este líquido. Sin embargo, un electrolito demasiado escaso significa que algunas zonas del interior permanecen "secas". Esto altera los procesos químicos y puede acortar drásticamente la vida útil.
'Es crucial cómo el electrolito moja los electrodos, penetra en sus poros y se distribuye en las células Li-S. Sin embargo, debido al diseño cerrado de las pilas, es extremadamente difícil observar esto sin causar daños', afirma el químico del HZB Prof. Dr. Yan Lu, que dirigió el estudio.
Batería examinada mediante tomografía de neutrones
Normalmente, no es posible ver cómo se distribuye el electrolito en el interior de una pila cerrada, a menos que la abra y la destruya en el proceso. En el mejor de los casos, tal procedimiento proporciona una instantánea. Por ello, los investigadores de HZB utilizaron una técnica especial: la tomografía de neutrones. Este método funciona de forma similar a una tomografía computarizada en un hospital - sólo que en lugar de rayos X, se utilizan neutrones. Éstos penetran en los materiales en distintos grados, dependiendo de los átomos que los componen. Los elementos ligeros como el litio y el hidrógeno en el electrolito pueden visualizarse especialmente bien con este método.
El equipo construyó células especiales de bolsa de litio-azufre con poco electrolito y las examinó en el Instituto Laue-Langevin de Grenoble. Esto permitió a los investigadores observar en tiempo real cómo se distribuye el líquido durante la carga y la descarga. Las grabaciones mostraron que al principio suele haber zonas poco humedecidas, comparables a los puntos secos de una esponja. Si se deja reposar la batería durante un tiempo, el electrolito se distribuye de forma más uniforme. Sin embargo, un periodo de reposo muy largo apenas aporta mejoras. Sólo cuando la batería está en funcionamiento, cargándose o descargándose, el líquido se distribuye mucho mejor. Esto conduce a un uso más activo del azufre y a un aumento de la capacidad.
El proceso "nos permitió observar por primera vez cómo se comporta el electrolito líquido en tiempo real y cómo cambia localmente la humectación en las distintas capas de una célula de bolsa a lo largo del tiempo. De ello obtuvimos algunas conclusiones interesantes", afirmó Yan Lu. Especialmente emocionante: los investigadores descubrieron un ritmo periódico en la humectación que está relacionado con la formación y disolución de compuestos de azufre. Este comportamiento difiere significativamente del de las baterías de iones de litio actuales.
Mejora selectiva de las baterías Li-S
Con estos hallazgos, la tecnología puede mejorarse ahora de forma más específica. El objetivo es construir baterías de litio-azufre que sean ligeras, de alta energía y duraderas. Esto no sólo podría hacer más eficientes los vehículos eléctricos, sino también abrir nuevas posibilidades en el sector aeroespacial. El proyecto ha contado con el apoyo del Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán y de la UE.
Ya hay mucho movimiento en el campo de las baterías de litio-azufre: por ejemplo, el proyecto de investigación de la UE TALISSMAN ha empezado a trabajar recientemente en el desarrollo de innovadoras baterías de litio-azufre para vehículos eléctricos. Y el desarrollador estadounidense de baterías Lyten, que actualmente está adquiriendo al fabricante sueco de celdas Northvolt, ya opera una línea piloto automatizada para baterías de Li-S en San José, California, que se inauguró en mayo de 2023. Allí, Lyten también produjo las muestras A de sus células de bolsa de 6,5 Ah, que se entregaron a Stellantis y a otros fabricantes de automóviles en mayo de 2024.
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