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Revisando las baterías de litio y azufre
Las baterías de litio-azufre, que potencialmente pueden almacenar varias veces más energía que las baterías de iones de litio, históricamente han sido demasiado costosas, inseguras y poco confiables para fabricarlas comercialmente. Pero ahora tienen un aspecto renovado, debido a algunos avances recientes. Las mejoras en el diseño de estas baterías han llevado al gigante químico BASF de Ludwigshafen, Alemania, para asociarse con Poder de Sion , una empresa de Tucson, AZ, que ya ha desarrollado prototipos de celdas de batería de litio y azufre.
Poder del azufre: Este prototipo de batería de litio y azufre fue desarrollado por Sion Power. En cooperación con BASF, la compañía tiene la intención de mejorar el diseño de la batería para su uso en vehículos eléctricos.
En comparación con las tecnologías existentes utilizadas en los vehículos eléctricos, el plan es aumentar la distancia de conducción al menos de 5 a 10 veces, para un tamaño de batería determinado, dice Thomas Weber, CEO de una subsidiaria de BASF llamada Negocio futuro de BASF . Otros expertos dicen que una mejora triple es una estimación más razonable, pero aún así sería un salto impresionante en el rendimiento. Weber dice que la experiencia de BASF en materiales ayudará a Sion Power a mejorar aún más su tecnología y llevarla al mercado más rápido. Sin embargo, se negó a proporcionar detalles del acuerdo, incluido cuánto dinero está involucrado y cómo las empresas compartirán las ganancias.
Las baterías de litio-azufre tienen un electrodo de litio y otro de azufre que normalmente se combina con carbono. Al igual que con las baterías de iones de litio, cargar y descargar la batería implica el movimiento de iones de litio entre los dos electrodos. Pero la capacidad teórica de las baterías de litio-azufre es mayor que la de las baterías de iones de litio debido a la forma en que los iones se asimilan en los electrodos. Por ejemplo, en el electrodo de azufre, cada átomo de azufre puede albergar dos iones de litio. Por lo general, en las baterías de iones de litio, por cada átomo anfitrión, solo se pueden acomodar de 0,5 a 0,7 iones de litio, dice hermosa nazar , profesor de química en la Universidad de Waterloo.
Hacer materiales que aprovechen esta mayor capacidad teórica ha sido un desafío. Un gran problema ha sido que el azufre es un material aislante, lo que dificulta la entrada y salida de electrones e iones. Entonces, si bien cada átomo de azufre puede, en teoría, albergar dos iones de litio, de hecho, a menudo, solo los átomos de azufre cerca de la superficie del material aceptan iones de litio.
Otro problema es que a medida que el azufre se une a los iones de litio, formando eventualmente sulfuro de dilitio, forma una serie de productos intermedios llamados polisulfuros. Estos se disuelven en el electrolito líquido de la batería y eventualmente pueden asentarse en otras áreas de la batería, donde pueden bloquear la carga y descarga. Debido a esto, la batería puede dejar de funcionar por completo después de solo unas pocas docenas de ciclos.
Además, el electrodo de metal de litio presenta posibles problemas de seguridad. Por ejemplo, durante el uso, el electrodo de litio puede desarrollar estructuras similares a ramas que aumentan la impedancia de la celda, provocando que se caliente. Eventualmente, estas estructuras pueden causar un cortocircuito. Si la batería se calienta, el metal puede derretirse. Si el litio fundido se escapa de la celda y entra en contacto con el agua, puede provocar un incendio. El electrolito de la batería también puede incendiarse.
Aunque se negó a dar detalles, Weber dice que estos problemas de seguridad se han resuelto. El objetivo de BASF es mejorar aún más los materiales para acceder a más de su capacidad teórica, algo que dice que la compañía tiene un plan claro para hacer.
En términos de abordar los problemas de seguridad, tres avances podrían explicar la confianza de Weber. Los métodos de tratamiento químico de electrodos de metal de litio pueden prevenir al menos alguna formación de dendrita, aunque no todos los investigadores están convencidos de que este enfoque sea suficiente. Además, las membranas de polímero y cerámica mejoradas que separan los dos electrodos y resisten la perforación de las dendritas podrían evitar cortocircuitos. Sin embargo, las baterías aún podrían ser vulnerables a cortocircuitos si se dañan. Para prevenir incendios de electrolitos, Nazar dice que se podrían usar electrolitos menos volátiles con baterías de litio y azufre porque tienen un voltaje más bajo que las baterías de iones de litio.
Otros problemas, incluida la baja conductividad y un número limitado de ciclos de recarga, parecen haber sido resueltos al menos en parte por Sion Power. La compañía ha producido celdas que almacenan más del doble de energía que las baterías de iones de litio disponibles en la actualidad, algo que BASF espera mejorar. Y Weber dice que las baterías pueden durar toda la vida útil de un automóvil, aunque esto puede basarse en las proyecciones de Sion Power, en lugar del rendimiento medido.
John Kopera, director de operaciones comerciales de Sion Power, dice que las baterías actuales de la empresa tienen una capacidad nominal de 50 ciclos y que tiene un plan integral para alcanzar unos 1000 ciclos. (Eso es suficiente para hasta 300,000 millas de conducción, con un paquete de baterías que proporciona un alcance de 300 millas).
Ambas empresas se mantienen en secreto los detalles de sus avances. Pero esta semana, en el diario Materiales de la naturaleza, Nazar describió un posible enfoque para resolver estos problemas. En el pasado, los investigadores han mejorado la conductividad al combinar azufre con carbono. Nazar fue un paso más allá al tomar electrodos compuestos de tubos de carbono espaciados regularmente y hacerlos de solo unos pocos nanómetros de ancho. (Su estructura es diferente a la de los nanotubos de carbono). Luego, el equipo de Nazar empacó azufre en los espacios a nanoescala entre estos tubos, de modo que la mayoría de los átomos de azufre se sientan cerca del carbono conductor, haciéndolos accesibles tanto a los electrones como a los iones de litio.
Los tubos de carbono también ayudaron a resolver el problema de los polisulfuros, que pueden matar una célula de forma prematura. Los tubos de carbono atrapan eficazmente los polisulfuros en su lugar hasta que se convierten por completo en sulfuro de dilitio, que no envenena la batería. Recubrir el carbono con un polímero que tenga afinidad por los polisulfuros también ayuda a mantenerlos en su lugar. Pero no está claro si BASF también podría probar un electrodo nanoestructurado para mejorar los materiales de Sion. Hasta ahora, Sion Power no ha utilizado materiales nanoestructurados, dice Kopera. Un desafío con el enfoque de Nazar es que será difícil fabricar los electrodos de tubo de carbono en grandes volúmenes.
Es probable que persistan algunos problemas. Por un lado, las baterías pueden ser costosas: el metal de litio es la forma más cara de litio. Además, aún no se dispone de datos firmes sobre cuántos ciclos de recarga pueden sufrir las baterías y cómo responden a las pruebas de seguridad. Aún así, dice Nazar, la tecnología ciertamente ha recorrido un largo camino. Sin duda, nuestros desarrollos y los de un par de otras empresas le permiten estar mucho más cerca de la realidad.