Los cátodos curables podrían liberar el potencial de las baterías de litio-azufre de estado sólido
Estas baterías podrían duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso del paquete de baterías
Los investigadores están un paso más cerca de hacer realidad las baterías de estado sólido de litio y azufre. Un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado un nuevo material catódico para baterías de estado sólido de litio y azufre que es conductor de la electricidad y estructuralmente curable, características que superan las limitaciones de los cátodos actuales de estas baterías. El trabajo se publicó en la revista Nature el 6 de marzo.
El material del cátodo se cura fundiéndose, pasando de ser un polvo marrón a un líquido de color rojo púrpura intenso.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Las baterías de litio-azufre en estado sólido son un tipo de pilas recargables compuestas por un electrolito sólido, un ánodo de litio metálico y un cátodo de azufre. Estas baterías prometen ser una alternativa superior a las actuales de iones de litio, ya que ofrecen una mayor densidad energética y menores costes. Tienen el potencial de almacenar hasta el doble de energía por kilogramo que las baterías de iones de litio convencionales, es decir, podrían duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso del paquete de baterías. Además, el uso de materiales abundantes y fáciles de obtener las convierte en una opción económicamente viable y más respetuosa con el medio ambiente.
Sin embargo, el desarrollo de baterías de litio-azufre de estado sólido se ha visto históricamente afectado por las características inherentes a los cátodos de azufre. El azufre no sólo es un mal conductor de electrones, sino que los cátodos de azufre también experimentan una importante expansión y contracción durante la carga y la descarga, lo que provoca daños estructurales y reduce el contacto con el electrolito sólido. Todos estos problemas merman la capacidad del cátodo para transferir carga, lo que compromete el rendimiento general y la longevidad de la batería de estado sólido.
Para superar estos problemas, un equipo dirigido por investigadores del Centro de Energía y Potencia Sostenibles de la Universidad de California en San Diego desarrolló un nuevo material para el cátodo: un cristal compuesto de azufre y yodo. Al insertar moléculas de yodo en la estructura cristalina del azufre, los investigadores aumentaron drásticamente la conductividad eléctrica del material catódico en 11 órdenes de magnitud, haciéndolo 100.000 millones de veces más conductor que los cristales hechos sólo de azufre.
"Estamos muy entusiasmados con el descubrimiento de este nuevo material", afirma Ping Liu, coautor principal del estudio, profesor de nanoingeniería y director del Centro de Energía Sostenible de la Universidad de California en San Diego. "El drástico aumento de la conductividad eléctrica en el azufre es una sorpresa y científicamente muy interesante".
Además, el nuevo material cristalino posee un bajo punto de fusión de 65 grados Celsius (149 grados Fahrenheit), que es inferior a la temperatura de una taza de café caliente. Esto significa que el cátodo puede volver a fundirse fácilmente después de cargar la batería para reparar las interfaces dañadas por los ciclos. Se trata de una característica importante para abordar el daño acumulativo que se produce en la interfaz sólido-sólido entre el cátodo y el electrolito durante la carga y descarga repetidas.
"Este cátodo de yoduro de azufre presenta un concepto único para resolver algunos de los principales obstáculos a la comercialización de las baterías Li-S", afirma Shyue Ping Ong, coautor del estudio y profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la Universidad de California en San Diego. "El yodo altera los enlaces intermoleculares que mantienen unidas las moléculas de azufre en la medida justa para reducir su punto de fusión a la zona Ricitos de Oro, por encima de la temperatura ambiente pero lo suficientemente baja como para que el cátodo se recupere periódicamente mediante fusión".
"El bajo punto de fusión de nuestro nuevo material catódico hace posible la reparación de las interfaces, una solución largamente buscada para estas baterías", afirma Jianbin Zhou, coautor del estudio y antiguo investigador postdoctoral de nanoingeniería del grupo de investigación de Liu. "Este nuevo material es una solución habilitadora para futuras baterías de estado sólido de alta densidad energética".
Para validar la eficacia del nuevo material catódico, los investigadores construyeron una batería de prueba y la sometieron a repetidos ciclos de carga y descarga. La batería se mantuvo estable durante más de 400 ciclos y conservó el 87% de su capacidad.
"Este descubrimiento puede resolver uno de los mayores problemas de la introducción de las baterías de litio-azufre de estado sólido, al aumentar drásticamente la vida útil de una batería", afirma Christopher Brooks, coautor del estudio y científico jefe del Honda Research Institute USA, Inc. "La capacidad de una batería para autorrepararse simplemente aumentando la temperatura podría ampliar significativamente el ciclo de vida total de la batería, creando una vía potencial hacia la aplicación en el mundo real de las baterías de estado sólido".
El equipo está trabajando para seguir avanzando en la tecnología de baterías de litio-azufre de estado sólido mejorando los diseños de ingeniería de las celdas y ampliando el formato de las mismas.
"Aunque queda mucho por hacer para conseguir una batería de estado sólido viable, nuestro trabajo es un paso importante", afirma Liu. "Este trabajo ha sido posible gracias a la gran colaboración entre nuestros equipos de la UC San Diego y nuestros socios investigadores de laboratorios nacionales, el mundo académico y la industria".
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
Jianbin Zhou, Manas Likhit Holekevi Chandrappa, Sha Tan, Shen Wang, Chaoshan Wu, Howie Nguyen, Canhui Wang, Haodong Liu, Sicen Yu, Quin R. S. Miller, Gayea Hyun, John Holoubek, Junghwa Hong, Yuxuan Xiao, Charles Soulen, Zheng Fan, Eric E. Fullerton, Christopher J. Brooks, Chao Wang, Raphaële J. Clément, Yan Yao, Enyuan Hu, Shyue Ping Ong, Ping Liu; "Healable and conductive sulfur iodide for solid-state Li–S batteries"; Nature, 2024-3-6
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