La creciente demanda de vehículos eléctricos (VE) en Estados Unidos ha puesto de manifiesto el importante reto que supone el abastecimiento sostenible de la tecnología de baterías necesaria para el amplio cambio hacia la electricidad renovable y el abandono de los combustibles fósiles. Con la esperanza de fabricar baterías que no sólo funcionen mejor que las que se utilizan actualmente en los vehículos eléctricos, sino que también se fabriquen con materiales fácilmente disponibles, un grupo de ingenieros químicos de la Universidad de Drexel ha encontrado una forma de introducir azufre en las baterías de iones de litio, con resultados sorprendentes.
Al duplicarse las ventas mundiales de vehículos eléctricos en 2021, los precios de materiales para baterías como el litio, el níquel, el manganeso y el cobalto se dispararon y las cadenas de suministro de estas materias primas, la mayoría de las cuales proceden de otros países, se atascaron debido a la pandemia. Esto también centró la atención en los principales proveedores de las materias primas: países como el Congo y China, y planteó preguntas sobre el impacto humano y medioambiental de su extracción de la tierra.
Mucho antes de la oleada de vehículos eléctricos y de la escasez de material para baterías, el desarrollo de una batería de azufre comercialmente viable ha sido la ballena blanca sostenible y de alto rendimiento de la industria de las baterías. Esto se debe a la abundancia natural del azufre y a su estructura química, que le permitiría almacenar más energía. Un reciente avance realizado por investigadores de la Facultad de Ingeniería de Drexel, publicado en la revista Communications Chemistry, ofrece una forma de sortear los obstáculos que han sometido a las baterías de Li-S en el pasado, poniendo por fin esta codiciada tecnología al alcance del comercio.
Su descubrimiento es una nueva forma de producir y estabilizar una forma rara de azufre que funciona en el electrolito de carbonato, el líquido de transporte de energía utilizado en las baterías comerciales de iones de litio. Este desarrollo no sólo haría que las baterías de azufre fueran comercialmente viables, sino que tendrían una capacidad tres veces superior a la de las baterías de iones de litio y durarían más de 4.000 recargas, el equivalente a 10 años de uso, lo que también supone una mejora sustancial.
"El azufre ha sido muy deseable para su uso en baterías durante varios años porque es abundante en la tierra y puede recogerse de forma segura y respetuosa con el medio ambiente y, como hemos demostrado ahora, también tiene el potencial de mejorar el rendimiento de las baterías de los vehículos eléctricos y los dispositivos móviles de forma comercialmente viable", dijo la doctora Vibha Kalra de Drexel, profesora de la cátedra George B. Francis en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la universidad, que dirigió la investigación.
El reto de introducir el azufre en una batería de litio con un electrolito de carbonato comercialmente amigable ha sido una reacción química irreversible entre los productos intermedios del azufre, llamados polisulfuros, y el electrolito de carbonato. Debido a esta reacción adversa, los intentos anteriores de utilizar un cátodo de azufre en una batería con una solución de electrolito de carbonato dieron como resultado un apagado casi inmediato y un fallo completo de la batería después de un solo ciclo.
Las baterías de Li-S ya han demostrado un rendimiento excepcional en entornos experimentales utilizando un electrolito de éter -en lugar de carbonato- porque el éter no reacciona con los polisulfuros. Pero estas baterías no serían comercialmente viables porque el electrolito de éter es muy volátil y tiene componentes con un punto de ebullición tan bajo como 42 grados Celsius, lo que significa que cualquier calentamiento de la batería por encima de la temperatura ambiente podría provocar un fallo o una fusión.
"En la última década, la mayoría del campo del Li-S adoptó electrolitos de éter para evitar las reacciones adversas con el carbonato", dijo Kalra. "Luego, a lo largo de los años, los investigadores profundizaron en la mejora del rendimiento de las baterías de azufre basadas en éter, mitigando lo que se conoce como transporte/difusión de polisulfuro, pero el campo pasó completamente por alto el hecho de que el propio electrolito de éter es un problema. En nuestro trabajo, el objetivo principal era sustituir el éter por el carbonato, pero al hacerlo también eliminamos los polisulfuros, lo que también significaba que no había shuttling, por lo que la batería podía funcionar excepcionalmente bien durante miles de ciclos."
Las investigaciones anteriores del equipo de Kalra también abordaron el problema de esta manera: produciendo un cátodo de nanofibras de carbono que frenaba el efecto lanzadera en las baterías de Li-S basadas en éter, al reducir el movimiento de los polisulfuros intermedios. Pero para mejorar la trayectoria comercial de los cátodos, el grupo se dio cuenta de que necesitaba hacerlos funcionar con un electrolito comercialmente viable.
"Tener un cátodo que funcione con el electrolito de carbonato que ya están utilizando es el camino de menor resistencia para los fabricantes comerciales", dijo Kalra. "Así que, en lugar de presionar para que la industria adopte un nuevo electrolito, nuestro objetivo era hacer un cátodo que pudiera funcionar en el sistema de electrolitos de iones de litio preexistente".
Así que, con la esperanza de eliminar la formación de polisulfuro para evitar reacciones adversas, el equipo intentó confinar el azufre en el sustrato del cátodo de nanofibras de carbono mediante una técnica de deposición de vapor. Aunque este proceso no consiguió incrustar el azufre dentro de la malla de nanofibras, hizo algo extraordinario, que se reveló cuando el equipo empezó a probar el cátodo.
"Cuando empezamos la prueba, empezó a funcionar estupendamente, algo que no esperábamos. De hecho, lo probamos una y otra vez -más de 100 veces- para asegurarnos de que realmente veíamos lo que creíamos ver", dijo Kalra. "El cátodo de azufre, que sospechábamos que iba a provocar que la reacción se detuviera, en realidad funcionó sorprendentemente bien y lo hizo una y otra vez sin provocar desplazamientos".
Al investigar más a fondo, el equipo descubrió que durante el proceso de depositar el azufre en la superficie de la nanofibra de carbono -cambiándolo de gas a sólido-, éste cristalizaba de forma inesperada, formando una ligera variación del elemento, llamada azufre monoclínico en fase gamma. Esta fase química del azufre, que no es reactiva con el electrolito de carbonato, sólo se había creado anteriormente a altas temperaturas en los laboratorios y sólo se había observado en la naturaleza en el entorno extremo de los pozos de petróleo.
"Al principio, era difícil creer que esto era lo que estábamos detectando porque en todas las investigaciones anteriores el azufre monoclínico ha sido inestable por debajo de los 95 grados Celsius", dijo Rahul Pai, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica y coautor de la investigación. "En el último siglo sólo ha habido un puñado de estudios que hayan producido azufre gamma monoclínico y sólo ha sido estable durante 20-30 minutos como máximo. Pero nosotros lo habíamos creado en un cátodo que se sometía a miles de ciclos de carga y descarga sin que disminuyera su rendimiento, y un año después, nuestro examen muestra que la fase química se ha mantenido igual."
Tras más de un año de pruebas, el cátodo de azufre sigue siendo estable y, según informó el equipo, su rendimiento no se ha degradado en 4.000 ciclos de carga y descarga, lo que equivale a 10 años de uso regular. Y, como se predijo, la capacidad de la batería es más de tres veces superior a la de una batería de iones de litio.
"Aunque todavía estamos trabajando para entender el mecanismo exacto que hay detrás de la creación de este azufre monoclínico estable a temperatura ambiente, este sigue siendo un descubrimiento emocionante y que podría abrir una serie de puertas para desarrollar una tecnología de baterías más sostenible y asequible", dijo Kalra.
La sustitución del cátodo de las baterías de iones de litio por uno de azufre aliviaría la necesidad de abastecerse de cobalto, níquel y manganeso. Los suministros de estas materias primas son limitados y no se pueden extraer fácilmente sin provocar riesgos para la salud y el medio ambiente. El azufre, en cambio, se encuentra en todo el mundo y existe en grandes cantidades en Estados Unidos porque es un producto de desecho de la producción de petróleo.
Kalra sugiere que disponer de un cátodo de azufre estable, que funcione en un electrolito de carbonato, también permitirá a los investigadores avanzar en el examen de sustitutos del ánodo de litio, que podrían incluir opciones más abundantes en tierra, como el sodio.
"Dejar de depender del litio y de otros materiales caros y difíciles de extraer de la tierra es un paso vital para el desarrollo de las baterías y para ampliar nuestra capacidad de utilizar fuentes de energía renovables", afirma Kalra. "El desarrollo de una batería Li-S viable abre una serie de vías para sustituir estos materiales".
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