El equipo de investigación quiere seguir aumentando el potencial de las baterías de litio y azufre.
Científicos de la Universidad Vanderbilt y de la Universidad de Maryland han presentado una nueva química celular que podría aumentar significativamente la densidad energética de las baterías de litio y azufre. Gracias a la integración del cloro, este enfoque permite una transferencia adicional de electrones a mayor voltaje.
Gráfico: Universidad Vanderbilt
Hace tiempo que las baterías de litio y azufre se consideran una alternativa prometedora a las celdas clásicas de iones de litio, ya que el azufre está ampliamente disponible y puede almacenar mucha más carga por unidad de peso. Sin embargo, hasta ahora ha resultado difícil hacerlas duraderas y viables en la práctica.
En un estudio publicado en la revista especializada “Nature Energy”, el equipo de las universidades estadounidenses Vanderbilt University y University of Maryland describe ahora un nuevo enfoque en el que el azufre participa en una reacción adicional de almacenamiento de energía. El resultado es una batería basada en azufre que funciona a una tensión promedio más alta y puede almacenar más carga.
El prototipo de la batería de litio-azufre pudo almacenar 1.700 vatios-hora de energía
Mientras que en los sistemas convencionales cada átomo de azufre intercambia dos electrones, el sistema innovador también integra cloro para transferir un tercer electrón. En pruebas de laboratorio, esto aumentó la capacidad de almacenamiento del azufre en aproximadamente un 58 por ciento y elevó la tensión operativa promedio de unos 2,05 voltios a 2,54 voltios. Gracias a la combinación de una mayor capacidad de almacenamiento de carga y una tensión más alta, un kilogramo de azufre en la celda experimental pudo almacenar más de 1.700 vatios-hora de energía.
Para garantizar la reversibilidad, los investigadores utilizaron simulaciones moleculares para diseñar un electrolito. Este mantiene al cloro reactivo y, al mismo tiempo, impide que el producto azufre-cloro generado se disuelva y se dirija hacia la anoda de metal litio.
78 por ciento de capacidad después de 100 ciclos de carga
Diversas técnicas de espectroscopía confirmaron que el azufre se mueve repetidamente entre los nuevos estados durante los procesos de carga y descarga. Una celda de tipo pouch, una vez construida, mantuvo el 78 por ciento de su capacidad inicial después de 100 ciclos de carga.
No obstante, aún falta mucho trabajo antes de su uso comercial, ya que el prototipo emplea una anoda de litio metálico y cantidades mayores de electrolito. Teniendo en cuenta todos los componentes esenciales de la batería, y no solo las electrodos, los científicos estiman que este enfoque podría permitir una densidad energética gravimétrica a nivel de celda de 477 Wh/kg. Esto equivaldría a un valor aproximadamente un 37 por ciento superior al de los sistemas convencionales de litio-azufre similares.
“La visión tradicional de las baterías de litio-azufre deja sin utilizar una parte del rendimiento redox del azufre”, dijo De-en Jiang, profesor de Ingeniería Química y Química en la Universidad Vanderbilt y coautor correspondiente del estudio. “Queríamos averiguar si podíamos ampliar la capacidad redox del azufre y utilizarla para almacenar más energía”.
