Un equipo de científicos pertenecientes a dos universidades chinas ha encontrado la solución para mejorar la reacción química clave que se produce en las baterías de litio-azufre, responsable de su rápida degradación. El uso de mediadores que trabajan como acelerante de la reacción redox en estas baterías podría resolver el problema clave de esta tecnología y convertirlas en un posible remplazo de las baterías de litio, a las que mejoran significativamente en densidad energética.
Hasta ahora, las baterías de iones de litio han logrado satisfacer las necesidades de almacenamiento de energía de los dispositivos móviles y de los vehículos eléctricos durante aproximadamente tres décadas. Sin embargo, se están acercando a su límite teórico en cuanto a densidad de energía. Mientras, los dispositivos de almacenamiento de energía de los vehículos eléctricos exigen cada vez mayores capacidades, mayores autonomías y precios contenidos, lo que exige elevar la densidad de energía utilizando materiales abundantes en la naturaleza.
La vida útil de una batería se mide por la cantidad de ciclos de carga y descarga que es capaz de soportar sin que se aprecie una degradación excesiva en su capacidad energética. En el caso de las baterías de litio-azufre hay algunas investigaciones que afirman haber logrado varios cientos de ciclos, pero todas ellas a expensas de reducir otros parámetros fundamentales como la capacidad y la potencia de recarga, la resiliencia e incluso la seguridad. El desafío para los investigadores es lograr satisfacer las necesidades de un vehículo eléctrico cumpliendo con cada uno de estos parámetros e incluyendo el coste.
Con un potencial teórico de alcanzar densidades energéticas de hasta 2.600 Wh/kg, las baterías de litio –azufre son una de las alternativas que los científicos están estudiando con mayor intensidad. Poseen una química atractiva para la industria puesto que el material activo del cátodo, el azufre, es muy abundante en la naturaleza, lo que permite controlar el coste de producción y aumenta la sensibilidad ecológica de este componente.
El gran hándicap de las baterías de litio-azufre es su rápida degradación durante los ciclos de carga y descarga, lo que se traduce en una escasa vida útil. 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.
La causa responsable de que esto se produzca es la lenta reacción de oxidación-reducción (redox) que se produce en su interior. Esta reacción es parte del proceso de conversión de la energía química en energía eléctrica. Esta característica ha impedido que la tecnología alcance su potencial en cuanto a densidad de energía teórica, mucho mayor que la de las baterías de iones de litio, y por lo tanto que alcancen un rendimiento similar o superior a las químicas de las baterías que se utilizan actualmente.
La lenta reacción redox no es precisamente un obstáculo pequeño que salvar. Esto se debe a que la alta densidad de energía teórica en las baterías de litio-azufre se origina en las reacciones entre el cátodo de azufre y el ánodo de litio. La lentitud de la reacción ocurre específicamente durante el proceso de descarga, cuando el azufre se reduce a polisulfuros de litio disueltos y luego a sulfuro de litio sólido, convirtiendo así la energía química en energía eléctrica.
Sobre esta reacción ha trabajado un equipo de investigadores pertenecientes a dos universidades chinas. Los resultados han sido publicados en un artículo de la revista Nano Research.
Los investigadores creen que este problema se eliminaría si el dispositivo se sometiera al mismo nivel de estrés que requieren las aplicaciones de alta densidad de energía. Para resolver el problema, diseñaron una variedad de aditivos "promotores", ya sea anfitriones de azufre o materiales de capa intermedia en las baterías de litio-azufre, para acelerar la cinética de la batería y, por lo tanto, mejorar sus reacciones.
Aun así, no es suficiente para evitar la disminución gradual del rendimiento de la batería debido a los depósitos sólidos de sulfuro de litio que se acumulan en los puntos electrocatalíticos activos, según los investigadores.
Ahondando más en sus investigaciones, el equipo descubrió que los mediadores redox solubles son efectivos para promover la cinética al reducir u oxidar químicamente los polisulfuros de litio y luego regenerarlos en la superficie del electrodo. Inicialmente, demostraron que el uso de estos mediadores redox es un mecanismo efectivo para acelerar la lenta cinética específica en las pilas de botón o tipo botón, las pilas pequeñas y planas que se usan en dispositivos como audífonos, llaves de automóviles o implantes médicos.
El siguiente paso fue encontrar un mediador redox que funcionara en las baterías de litio formadas de celda tipo bolsa, que se pueden usar en aplicaciones de mayor potencia, como es el caso de la industria del automóvil. Para lograr esto, los investigadores diseñaron un mediador redox utilizando una molécula orgánica llamada 5,7,12,14-pentacenetetrona, o PT, para promover la cinética redox de azufre en células de bolsa de litio-azufre de alta densidad energética.
"Concretamente, el mediador redox PT proporciona un bypass químico para la reducción de polisulfuro de litio a sulfuro de litio, lo que reduce la resistencia a la reacción y mejora la capacidad de deposición", explicó Bo-Quan Li, investigador del Instituto de Tecnología de Beijing, en un comunicado de prensa.
Demostrar que podrían encontrar una manera de mejorar la reacción redox en una batería de alta densidad de energía lleva a los científicos un paso más cerca del desarrollo de baterías de litio-azufre que pueden alcanzar su potencial teórico en aplicaciones que requieren una alta demanda de potencia.
El siguiente paso de la investigación es desarrollar mediadores redox más avanzados con el objetivo final de lograr "baterías de litio-azufre de alta densidad de energía y ciclo largo con bajos costes y alta seguridad" para aplicaciones como vehículos aéreos, incluidas naves espaciales, explica Li.
