Baterías de litio-azufre: Primer análisis multimodal en formato de pila de bolsa
La evaluación muestra cómo el electrolito afecta a la formación de partículas de azufre y polisulfuros no deseados
Las baterías de litio-azufre (Li/S) tienen densidades de energía significativamente mayores que las baterías de iones de litio convencionales, pero envejecen muy rápidamente. Ahora, por primera vez, un equipo de HZB ha investigado las baterías de Li/S en el formato de celda de bolsa relevante para la industria con diferentes electrolitos durante su funcionamiento. En el estudio participaron también equipos de la Universidad Técnica de Dresde y del Instituto Fraunhofer IWS. Con una célula de medición especialmente desarrollada, es posible registrar la impedancia, la temperatura y la presión en diferentes momentos y combinarlas con imágenes radiográficas. La evaluación muestra cómo afecta el electrolito a la formación de partículas de azufre y polisulfuros no deseados. El estudio se ha publicado en la revista Advanced Energy Materials.
Las radiografías de la célula antes (izquierda) y después de la primera descarga (centro), así como después de la primera recarga (derecha). Es visible la acumulación de partículas que contienen azufre (puntos brillantes). Esta combinación de métodos permite comparar células de bolsa con diferentes electrolitos y aditivos.
© R. Müller, S. Risse / HZB
Las baterías de litio-azufre (Li/S) tienen teóricamente una densidad energética de 2.500 vatios-hora/kg, que es significativamente mayor que la de las baterías de iones de litio convencionales. Además, las baterías de Li/S utilizan materiales catódicos más respetuosos con el medio ambiente que las de iones de litio. Pero las baterías de Li/S tienen un problema: al aumentar el número de ciclos de carga, el material activo cambia, el ánodo metálico de litio se corroe y la capacidad disminuye rápidamente. Con electrolitos innovadores y aditivos refinados, se intenta frenar este envejecimiento. Sin embargo, hasta ahora se han investigado sobre todo baterías de Li/S en diseño de celda tipo moneda, en las que estas reacciones tienen lugar empapadas en abundante electrolito.
El formato importa
Para la industria, sin embargo, resultan especialmente interesantes otros formatos como las pilas redondas (Tesla), las prismáticas (Grupo BMW) o las de bolsa (Volkswagen). En estos formatos, la cantidad de electrolito es extremadamente pequeña, lo que permite alcanzar densidades de energía especialmente altas. En HZB se han llevado a cabo por primera vez investigaciones multimodales en células de bolsa de Li/S como parte del proyecto financiado por el BMBF "HiPoLiS". En colaboración con equipos de la Universidad Técnica de Dresde y del Fraunhofer IWS, un equipo dirigido por el Dr. Sebastian Risse investigó células de Li/S de una sola capa con diferentes electrolitos. "Primero tenemos que entender los procesos en las células monocapa antes de poder optimizar también las capas múltiples en las células de bolsa", está convencido Risse.
Radiografía y sensores combinados
Para su estudio, combinaron los datos de las mediciones con análisis de radiografía de rayos X, creados en estrecha colaboración con el grupo dirigido por el Dr. Ingo Manke, experto en imágenes de HZB. "Esto nos permitió sacar conclusiones sobre la formación y deposición de partículas de azufre y polisulfuros a lo largo de los ciclos de carga", afirma el Dr. Rafael Müller, investigador postdoctoral del grupo de electroquímica de Risse. Sus resultados también permitieron evaluar la influencia del electrolito en la formación de partículas.
La célula de medición multimodal, que Müller desarrolló junto con Risse, contiene varios sensores: registran la impedancia electroquímica, la temperatura, pero también las fuerzas mecánicas sobre los electrodos. Además, la célula de bolsa se ilumina con rayos X durante todo el ciclo de descarga/carga (operando), lo que crea varias radiografías de las que se pueden deducir los procesos de deposición química.
El laboratorio de células de bolsa en HZB
Para seguir avanzando sobre la base de este formato de celda, el año pasado se creó un laboratorio de celdas de bolsa en el departamento de almacenamiento de energía electroquímica del profesor Yan Lu. Para fabricar estas células, se apilan electrodos rectangulares en formato de tarjeta de crédito y, separados únicamente por una fina lámina separadora, se colocan en un bolsillo sellable (bolsa). En comparación con las pilas de botón, las pilas de bolsa sólo necesitan una pequeña cantidad de electrolito para garantizar el transporte de la carga. Por tanto, todos los procesos electroquímicos tienen lugar en condiciones mucho más secas. "La necesaria falta de electrolito tiene un efecto muy fuerte en estos procesos y, por lo tanto, debe investigarse directamente en un formato de célula industrialmente relevante", dice Risse.
Energía para el wingcopter
Uno de los objetivos del proyecto HiPoLiS es aumentar la autonomía de un dron logístico del socio del proyecto, Wingcopter, de Darmstadt, con las células de bolsa mejoradas de Dresde. Para ello, el Fraunhofer IWS produce células Li/S con hasta 40 capas, que se integran en el suministro de energía existente del dron.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Rafael Müller, Ingo Manke, André Hilger, Nikolay Kardjilov, Tom Boenke, Florian Reuter, Susanne Dörfler, Thomas Abendroth, Paul Härtel, Holger Althues, Stefan Kaskel, Sebastian Risse; "Operando radiography and multimodal analysis of lithium-sulfur pouch cells – electrolyte dependent morphology evolution at the cathode"; Advanced Energy Materials; 2022
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