Células de bolsa de litio-azufre investigadas en BESSY II
Procesos de degradación examinados
Un equipo de HZB y del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos (IWS) de Dresde ha obtenido nuevos conocimientos sobre las pilas de litio-azufre en la BAMline de BESSY II. Gracias a los análisis realizados en el laboratorio de imágenes HZB y a otras mediciones, se ha obtenido una nueva imagen de los procesos que limitan el rendimiento y la vida útil de este tipo de baterías de interés industrial. El estudio se ha publicado en la revista Advanced Energy Materials.
Las baterías de litio-azufre presentan una serie de ventajas sobre las de litio convencionales: utilizan la abundante materia prima azufre, no necesitan los elementos críticos cobalto o níquel y pueden alcanzar densidades específicas de energía extremadamente altas. Los prototipos de celdas ya alcanzan hasta 500 Wh/kg, casi el doble que las actuales baterías de iones de litio.
Procesos de degradación examinados
Sin embargo, las baterías de litio-azufre han sido hasta ahora mucho más susceptibles a los procesos de degradación: durante la carga y la descarga, se forman polisulfuros disueltos y fases de azufre en el electrodo de litio, lo que reduce gradualmente el rendimiento y la vida útil de la batería. Nuestra investigación pretende dilucidar estos procesos para mejorar este tipo de baterías", afirma el Dr. Sebastian Risse, físico del HZB, que dirige un equipo que trabaja en el análisis operando de baterías.
El laboratorio de pilas de bolsa de HZB
Su trabajo se centra en las pilas de bolsa, un formato de pila muy utilizado en la industria. Por ello, el Instituto de Almacenamiento Electroquímico de Energía (CE-IEES) de HZB, dirigido por el profesor Yan Lu, ha creado un laboratorio especializado en la producción de baterías de litio-azufre en el formato de bolsillo requerido. Aquí, los científicos pueden producir e investigar una amplia variedad de pilas de bolsillo de litio-azufre. En el marco del proyecto "SkaLiS", financiado por el BMBF y coordinado por Sebastian Risse, un equipo del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos (IWS) de Dresde ha publicado un estudio exhaustivo de las pilas de litio-azufre en la prestigiosa revista Advanced Energy Materials.
Configuración multimodal
Las celdas de la batería se estudiaron en un montaje desarrollado en HZB utilizando diversos métodos, como espectroscopia de impedancia, distribución de temperatura, medición de fuerza e imágenes de rayos X (sincrotrón y fuente de laboratorio) durante la carga y la descarga. Por primera vez, pudimos observar y documentar tanto la formación de dendritas de litio como la disolución y formación de cristalitos de azufre durante el funcionamiento de una batería multicapa", afirma el Dr. Rafael Müller, químico de HZB y primer autor del estudio.
Radiografía de contraste de fase en BESSY II
En concreto, la radiografía de contraste de fase con luz sincrotrón coherente en la línea de luz BAM de BESSY II nos permitió seguir la morfología del único metal de litio de absorción débil y correlacionarla con otros datos de medición, lo que nos proporcionó una imagen completa". Los análisis de rayos X en el laboratorio de imagen de HZB, realizados en colaboración con el grupo de imagen del Dr. Ingo Manke, también permitieron analizar la formación de cristales de azufre fuertemente absorbentes durante el funcionamiento de la batería.
Perspectivas: Sistemas de baterías de alta energía
Nuestros resultados tienden un puente entre la investigación básica y la transferencia de tecnología, y permiten extraer conclusiones sobre la escalabilidad de esta tecnología de baterías y el futuro desarrollo de sistemas de baterías de alta energía", afirma Risse. Entre otras cosas, el equipo demostró que un nuevo enfoque de diseño del IWS de Dresde es prometedor: un colector de corriente catódica perforado y, por tanto, mucho más ligero, no merma el rendimiento de la célula.
Los resultados de este estudio ayudarán a optimizar el rendimiento y la vida útil de las baterías de litio-azufre, de modo que este prometedor tipo de batería pueda cumplir los requisitos de los sistemas móviles y fijos de almacenamiento de energía.
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Publicación original
Rafael Müller, Tom Boenke, Susanne Dörfler, Thomas Abendroth, Paul Härtel, Holger Althues, Stefan Kaskel, Nikolay Kardjilov, Henning Markötter, Michael Sintschuk, André Hilger, Ingo Manke, Sebastian Risse; "Multimodal Operando Analysis of Lithium Sulfur Multilayer Pouch Cells: An In‐Depth Investigation on Cell Component Design and Performance"; Advanced Energy Materials, 2025-1-7
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