Con un nuevo diseño, las baterías de litio-azufre podrían alcanzar su máximo potencial.
Las baterías están en todas partes en la vida diaria, desde teléfonos móviles y relojes inteligentes hasta el creciente número de vehículos eléctricos. La mayoría de estos dispositivos utilizan tecnología de batería de iones de litio conocida. Y aunque las baterías de iones de litio han recorrido un largo camino desde que se introdujeron por primera vez, también tienen algunos inconvenientes familiares, como una vida útil corta, sobrecalentamiento y falta de suministro. desafíos de la cadena para ciertas materias primas.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están investigando soluciones a estos problemas probando nuevos materiales en la construcción de baterías. Uno de esos materiales es el azufre. El azufre es extremadamente abundante y rentable y puede contener más energía que las baterías tradicionales basadas en iones.
En un nuevo estudio, los investigadores avanzaron en la investigación de baterías a base de azufre mediante la creación de una capa dentro de la batería que agrega capacidad de almacenamiento de energía y casi elimina un problema tradicional con las baterías de azufre que causa la corrosión.
«Estos resultados demuestran que una capa intermedia redox activa podría tener un gran impacto en el desarrollo de la batería Li-S. Estamos un paso más cerca de ver esta tecnología en nuestra vida cotidiana». — Wenqian Xu, científico de línea de luz en APS
Un diseño de batería prometedor empareja un electrodo positivo que contiene azufre (cátodo) con un electrodo negativo de metal de litio (ánodo). Entre esos componentes está el electrolito, o la sustancia que permite que los iones pasen entre los dos extremos de la batería.
Las primeras baterías de litio-azufre (Li-S) no funcionaban bien porque las especies de azufre (polisulfuros) se disolvían en el electrolito, provocando su corrosión. Este efecto de transporte de polisulfuro afecta negativamente la vida útil de la batería y reduce la cantidad de veces que se puede recargar la batería.
Para evitar este desplazamiento de polisulfuro, los investigadores anteriores intentaron colocar una capa intermedia redox inactiva entre el cátodo y el ánodo. El término «redox-inactivo» significa que el material no experimenta reacciones como las de un electrodo. Pero esta capa intermedia protectora es pesada y densa, lo que reduce la capacidad de almacenamiento de energía por unidad de peso de la batería. Tampoco reduce adecuadamente el traslado. Esto ha demostrado ser una barrera importante para la comercialización de baterías de Li-S.
Para abordar esto, los investigadores desarrollaron y probaron una capa intermedia porosa que contiene azufre. Las pruebas en el laboratorio mostraron una capacidad inicial aproximadamente tres veces mayor en las células Li-S con esta capa intermedia activa, en lugar de inactiva. Más impresionante aún, las celdas con la capa intermedia activa mantuvieron una alta capacidad durante 700 ciclos de carga y descarga.
«Experimentos anteriores con células que tenían la capa redox inactiva solo suprimieron el desplazamiento, pero al hacerlo, sacrificaron la energía para un peso celular dado porque la capa agregaba peso extra», dijo Guiliang Xu, químico de Argonne y coautor de el papel. «Por el contrario, nuestra capa activa redox se suma a la capacidad de almacenamiento de energía y suprime el efecto de transporte».
Para estudiar más a fondo la capa activa redox, el equipo realizó experimentos en la línea de luz 17-BM de la fuente de fotones avanzados (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Los datos recopilados de la exposición de células con esta capa a haces de rayos X permitieron al equipo determinar los beneficios de la capa intermedia.
Los datos confirmaron que una capa intermedia redox activa puede reducir el desplazamiento, reducir las reacciones perjudiciales dentro de la batería y aumentar la capacidad de la batería para retener más carga y durar más ciclos. «Estos resultados demuestran que una capa intermedia redox activa podría tener un gran impacto en el desarrollo de la batería de Li-S», dijo Wenqian Xu, científico de línea de luz de APS. «Estamos un paso más cerca de ver esta tecnología en nuestra vida cotidiana».
En el futuro, el equipo quiere evaluar el potencial de crecimiento de la tecnología de capa intermedia activa redox. “Queremos tratar de hacerlo mucho más delgado, mucho más liviano”, dijo Guiliang Xu.
Un artículo basado en la investigación apareció en la edición del 8 de agosto de Nature Communications. Khalil Amine, Tianyi Li, Xiang Liu, Guiliang Xu, Wenqian Xu, Chen Zhao y Xiao-Bing Zuo contribuyeron al artículo.
Esta investigación fue patrocinada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, el Programa de Investigación de Materiales de Baterías de la Oficina de Tecnologías de Vehículos y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.
