Las baterías de litio azufre prometen grandes capacidades energéticas pero tienen su hándicap principal en la rápida degradación que sufren con los ciclos de carga y descarga, lo que se traduce en una escasa vida útil y otros problemas relacionados con el flujo de energía. Un equipo de investigadores de la Universidad de Uppsala en Suecia ha identificado los factores que influyen en el rendimiento y que provocan estos problemas, lo que abre las puertas a extender su vida útil.
La tecnología de las baterías de Li-S es una de las más prometedoras en la actualidad por sus ventajas técnicas, económicas y medioambientales. En el caso de los vehículos eléctricos, su mayor capacidad energética y su menor coste podrían ayudar a reducir la brecha de precio y de autonomía respecto a los modelos de combustión. Sin embargo, a diferencia de las de iones de litio, la reacción química que se produce en el interior de las baterías de azufre conduce a la acumulación de sulfuro de litio sólido y polisulfuro de litio que se traduce directamente en una mayor degradación de la batería y por lo tanto en una vida útil muy limitada.
En concreto, un equipo de la Universidad de Uppsala ha identificado que el principal cuello de botella para el flujo de la corriente eléctrica en estos dispositivos es el almacenamiento localizado de litio. Identificar las complejidades del sistema y averiguar cómo se puede reforzar su rendimiento es "un gran desafío de investigación en un sistema tan complejo como el litio-azufre", afirma Daniel Brandell, profesor de química de materiales en la Universidad de Uppsala. Por lo tanto, es clave identificar los cuellos de botella que obstaculizan el rendimiento lo que permite dar los siguientes pasos hacia el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía que sean comercialmente viables.
Para lograrlo, Brandell y su equipo del Centro de Baterías Avanzadas Ångström de la universidad utilizaron técnicas de dispersión de radiación para examinar los procesos materiales de un dispositivo de azufre-litio. Estas técnicas incluyeron análisis por rayos X que realizaron localmente, así como resultados de neutrones que se adquirieron a través de una asociación con el Institut Laue Langevin, un centro de investigación en Grenoble, Francia.
"Estos instrumentos son caros pero necesarios para entender sistemas tan complejos como lo son estas baterías", asegura Adrian Rennie del Institut Laue Langevin. "Ocurren muchas reacciones diferentes al mismo tiempo y se forman materiales que pueden desaparecer rápidamente durante la operación".
El trabajo del equipo se centró en los procesos electroquímicos que ocurren en el electrodo positivo de las baterías de litio-azufre para identificar cuellos de botella en el rendimiento. Los trabajos han quedado descritos en un artículo resumen publicado en la revista Chem.
Los investigadores ya sabían que la descarga de energía en estos dispositivos es "complicada debido a varias reacciones en múltiples fases y la tortuosidad de la matriz de carbono altamente porosa". Su enfoque para examinar estos mecanismos, fue tomar medidas simultáneas de la dispersión de ángulo pequeño y de ángulo ancho y la resistencia de la celda mientras estaban en funcionamiento.
Lo que encontraron fue que los precipitados crecen principalmente en número, no en tamaño y que la estructura de la matriz de carbono no se ve afectada por este crecimiento. "La comparación de la dispersión de ángulo pequeño y de ángulo amplio revela los productos de descarga amorfa que se encuentran a una tasa de descarga baja", afirma el artículo.
Los investigadores también descubrieron una correlación potencial entre la resistencia a la difusión y el cambio de composición del electrolito en los mesoporos al final de la descarga. Esto sugiere que la deficiencia de iones de litio "es el factor limitante para la utilización de azufre a una tasa de descarga media".
El descubrimiento de estos hallazgos facilita el camino para alcanzar nuevos diseños de baterías de litio-azufre que pueden resolver los cuellos de botella descritos. "Aprender sobre los problemas nos permite desarrollar nuevas estrategias y materiales para mejorar el rendimiento de la batería", afirma Brandell en un comunicado de prensa.
