Un equipo de investigadores de la Universidad de Okinawa, en Japón, ha creado una esponja porosa a nanoescala a partir de nanotubos de carbono que mejora sensiblemente el rendimiento de las baterías de litio-azufre. A nivel de laboratorio, este prototipo de celda demostró que es capaz de multiplicar la vida útil de la batería, alcanzando cientos de ciclos de carga y descarga sin apenas degradación, además de acelerar la velocidad de carga.
Las baterías de litio-azufre prometen densidades de energía tales que podrían hacer funcionar un teléfono móvil actual durante cinco días sin necesidad de recurrir al cargador o multiplicar por dos la autonomía de los aviones eléctricos. En comparación con las baterías de iones de litio que alimentan a gran parte de los dispositivos electrónicos modernos y la mayoría de los coches eléctricos del mercado, las baterías de litio y azufre son más livianas y pueden llegar a ofrecer hasta cinco veces más energía por unidad peso.
Estas propiedades las hacen particularmente adecuadas para su uso en vehículos eléctricos. Su mayor capacidad y su menor coste podrían ayudar a reducir la brecha de precio y de autonomía respecto a los modelos de combustión. La densidad de energía es un parámetro clave para eliminar la limitación de autonomía ya que afecta directamente al peso que es necesario transportar para lograr las autonomías apropiadas.
Se trata de una tecnología que alberga un gran potencial, que no es posible desarrollar por las inestabilidades inherentes a las reacciones químicas que se producen en su interior. Los equipos de científicos que trabajan en este campo han tenido que lidiar con estos problemas que hacen que los componentes clave se deterioren rápidamente y que el dispositivo falle.
La reacción química que se produce entre el litio y el azufre en el interior de estas baterías conduce a la acumulación de sulfuro de litio sólido y polisulfuro de litio líquido lo que provoca una pérdida de material activo en el cátodo de azufre (electrodo negativo) y la corrosión del ánodo de litio (electrodo positivo). Esto se traduce directamente en una mayor degradación de la batería y por lo tanto en una vida útil muy limitada.
En una batería de litio-azufre perfecta, el polisulfuro de litio debe convertirse en sulfuro de litio o persulfuro de litio lo más rápidamente posible. La investigación llevada a cabo por científicos de materiales de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa, tiene como objetivo la reducción de la formación de estos polisulfuros aumentando significativamente la vida útil de la batería.
Diagrama de la esponja porosa desarrollada por científicos de la Universidad de Okinawa creada a partir de nanotubos de carbono recubiertos de nitruro de titanio y dióxido de titanio.
Para ello, los científicos crearon una esponja porosa a nanoescala a partir de nanotubos de carbono y la recubrieron con nitruro de titanio y dióxido de titanio. El nitruro de titanio sirve para acelerar la conversión de polisulfuro de litio en el producto terminado, mientras que el dióxido de titanio absorbe los polisulfuros no deseados que se crean en el proceso. "Con estos dos materiales, desarrollamos un híbrido de bajo coste y muy fácil de aplicar", dice el Dr. Luis Ono, segundo autor del estudio, que ha mostrado una excelente capacidad para mejorar el rendimiento de la batería".
La batería resultante mostró una mejora de rendimiento en comparación con las versiones de esta tecnología que no emplean este material esponjoso. El resultado es una reducción en los tiempos de carga, gracias a la alta capacidad específica y, lo que es más importante, una mayor vida útil de la batería, que ha sido capaz de 200 ciclos sin pérdidas.
El Dr. Hui Zhang, primer autor del estudio (publicado en Nature Communications), asegura que "las baterías de litio-azufre pueden almacenar más energía que las baterías de iones de litio disponibles comercialmente hoy en día". Un vehículo eléctrico alimentado por baterías de iones de litio puede ofrecer una autonomía media de 300 kilómetros. Con una batería de litio que pese lo mismo, la autonomía que se podría alcanzar es de 500 kilómetros.
Sobre los siguientes pasos a dar, el director del estudio, Yabing Qi ha asegurado que continuarán optimizando los materiales para mejorar todavía más el rendimiento: "Hay muchas mentes brillantes trabajando en baterías de litio y azufre porque es una tecnología realmente prometedora y emocionante".
Un estudio similar al llevado a cabo en Japón fue presentado en febrero de este año. Una investigación realizada por un equipo del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) en Corea del Sur puso de manifiesto la capacidad del oxalato de cobalto, empleado como catalizador, para mejorar las baterías de litio-azufre. Su empleo puede también resolver los problemas intrínsecos de esta tecnología relacionados con la degradación del cátodo y la corrosión del ánodo.
