Liberar el potencial de las baterías de litio-azufre
Los investigadores desarrollan aditivos electrolíticos para mejorar el almacenamiento de energía: "Las técnicas de sincrotrón proporcionan potentes herramientas para caracterizar los materiales de las baterías"
Las baterías de iones de litio (Li-ion) son parte integrante de la sociedad, desde los teléfonos móviles y los ordenadores portátiles hasta los vehículos eléctricos. Aunque las baterías de iones de litio han sido un gran éxito hasta la fecha, científicos de todo el mundo se apresuran a diseñar baterías "más allá del ión-litio" aún mejores en el cambio hacia un mundo más electrificado. Las baterías comerciales de iones de litio son menos densas energéticamente que las baterías alternativas y dependen de sustancias relativamente caras, como los compuestos de cobalto y níquel, que también dependen en gran medida de cadenas de suministro vulnerables.
Representación esquemática del experimento de rayos X de sincrotrón utilizado en esta investigación en el APS para estudiar la célula de batería Li-S.
Image by Argonne National Laboratory/Guiliang Xu
Una de las alternativas más prometedoras a las baterías de iones de litio son las baterías de litio-azufre (Li-S), que tienen un ánodo de litio metálico y un cátodo de azufre. Esta pareja de electrodos promete densidades energéticas entre dos y tres veces superiores y costes reducidos, además de utilizar recursos abundantes en la Tierra.
"Con una mayor optimización y desarrollo de los electrodos de azufre, creemos que las baterías Li-S pueden alcanzar una mayor densidad energética y un mejor rendimiento general, contribuyendo a su adopción comercial", Guiliang Xu, químico de Argonne.
Pero estas baterías no vienen sin sus propios retos, entre los que se incluyen un ciclo de vida corto debido a la migración no deseada de iones de polisulfuro y la desigual distribución y ocurrencia de reacciones químicas dentro del sistema.
Mediante el desarrollo de un innovador aditivo para el electrolito, los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) están avanzando en la resolución de estos problemas que limitan la adopción generalizada de las baterías Li-S.
En las baterías de iones de litio, los iones de litio se almacenan en los espacios entre las capas del material del cátodo y se mueven de un lado a otro entre el cátodo y el ánodo durante la carga y la descarga.
Las baterías Li-S, sin embargo, se basan en un proceso diferente. En estas pilas, los iones de litio se mueven entre el cátodo y el ánodo mediante una reacción química. El azufre elemental del cátodo se convierte en compuestos polisulfurados -formados por cadenas de átomos de azufre-, algunos de los cuales pueden disolverse en el electrolito. Debido a esta solubilidad, se produce un efecto de "desplazamiento", en el que los polisulfuros van y vienen entre el cátodo y el ánodo. Este desplazamiento provoca la pérdida de material del cátodo de azufre porque se deposita en el ánodo, lo que limita la vida útil y el rendimiento de la batería.
Se han propuesto numerosas estrategias para mitigar el desplazamiento del polisulfuro y otros problemas. Una de ellas, el uso de un aditivo en el electrolito, se ha considerado durante mucho tiempo incompatible debido a su reactividad química con el cátodo de azufre y otras partes de la batería. El químico de Argonne Guiliang Xu y su equipo han creado una nueva clase de aditivos y han descubierto que pueden mejorar el rendimiento de las baterías. Al controlar la forma en que el aditivo reacciona con los compuestos de azufre, los investigadores son más capaces de crear una interfaz entre el cátodo y el electrolito, necesaria para facilitar el transporte de los iones de litio.
"El aditivo, denominado aditivo de ácido de Lewis, es una sal que reacciona con los compuestos de polisulfuro, formando una película sobre todo el electrodo", explica Xu. "La clave es tener una reacción menor para formar la película, sin una reacción continua que consuma el material y reduzca la densidad energética".
El aditivo forma una película tanto en el ánodo como en el cátodo, suprimiendo el efecto lanzadera, mejorando la estabilidad de la célula y favoreciendo una "autopista" de transporte de iones por todo el electrodo. Este diseño del electrolito también minimiza la disolución de azufre y mejora la homogeneidad de la reacción, permitiendo el uso de aditivos que antes se consideraban incompatibles.
Para validar el concepto, los investigadores compararon su electrolito con el aditivo con un electrolito convencional utilizado en baterías Li-S. Observaron una reducción significativa de los polisacáridos en el electrolito. Observaron una reducción significativa de la formación de polisulfuro. El nuevo electrolito mostró una disolución muy baja de polisulfuros, lo que se confirmó con técnicas de rayos X. Además, siguieron el comportamiento de la reacción durante la carga y descarga de la batería. Estos experimentos hicieron uso de la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne y de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II del Laboratorio Nacional de Brookhaven, ambas instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, que confirmaron que el diseño del electrolito minimizaba la disolución y formación de polisulfuros.
"Las técnicas de sincrotrón proporcionan potentes herramientas para caracterizar los materiales de las baterías", afirma Tianyi Li, científico de la línea de luz del APS. "Mediante el uso de difracción de rayos X, espectroscopia de absorción de rayos X y microscopía de fluorescencia de rayos X en el APS, se confirmó que el nuevo diseño de interfaz mitiga eficazmente los problemas bien conocidos, incluyendo la lanzadera de polisulfuro. Y lo que es más importante, esta interfaz mejora la transferencia de iones, lo que ayuda a reducir las heterogeneidades de reacción".
Xu añadió: "Con una mayor optimización y desarrollo de los electrodos de azufre, creemos que las baterías Li-S pueden alcanzar una mayor densidad energética y un mejor rendimiento general, contribuyendo a su adopción comercial."
Otro reto importante de las baterías Li-S es la estabilidad del metal de litio: reacciona con facilidad y plantea problemas de seguridad. Xu y su equipo trabajan en el desarrollo de mejores electrolitos para estabilizar el metal de litio y reducir la inflamabilidad del electrolito, garantizando así la seguridad de las baterías Li-S.
En el APS, la línea de luz 20-BM se utilizó para la espectroscopia de absorción de rayos X con el fin de sondear la solubilidad del polisulfuro. La línea de luz 17-BM se utilizó para imágenes de difracción de rayos X con el fin de explorar la homogeneidad o heterogeneidad de toda la célula. La línea de luz 2-ID se utilizó para cartografiar la fluorescencia de rayos X con el fin de confirmar la solubilidad del material del electrodo y observar la migración del azufre en electrolitos convencionales.
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Publicación original
Chen Zhao, Heonjae Jeong, Inhui Hwang, Tianyi Li, Yang Wang, Jianming Bai, Luxi Li, Shiyuan Zhou, Chi Cheung Su, Wenqian Xu, Zhenzhen Yang, Manar Almazrouei, Cheng-Jun Sun, Lei Cheng, Gui-Liang Xu, Khalil Amine; "Polysulfide-incompatible additive suppresses spatial reaction heterogeneity of Li-S batteries"; Joule, Volume 8
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