Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Han demostrado en el laboratorio una batería de litio-azufre (Li / S) que tiene más del doble de energía específica que las baterías de iones de litio. y que dura más de 1, 500 ciclos de carga-descarga con un mínimo decaimiento de la capacidad de la batería. Este es el ciclo de vida más largo informado hasta ahora para cualquier batería de litio-azufre.

La demanda de baterías de alto rendimiento para vehículos eléctricos e híbridos capaces de igualar el alcance y la potencia del motor de combustión alienta a los científicos a desarrollar nuevas químicas de batería que podrían entregar más potencia y energía que las baterías de iones de litio. Actualmente, la química de baterías con mejor rendimiento del mercado.

Para que los vehículos eléctricos tengan un alcance de 300 millas, la batería debe proporcionar una energía específica a nivel de celda de 350 a 400 vatios-hora / kilogramo (Wh / kg). Esto requeriría casi el doble de la energía específica (aproximadamente 200 Wh / kg) de las baterías de iones de litio actuales. Las baterías también deberían tener al menos 1, 000, y preferiblemente 1, 500 ciclos de carga-descarga sin mostrar una pérdida notable de potencia o capacidad de almacenamiento de energía.

"Nuestras celdas pueden brindar una oportunidad sustancial para el desarrollo de vehículos de emisión cero con un rango de conducción similar al de los vehículos de gasolina". dice Elton Cairns, de la División de Tecnologías Energéticas Ambientales (EETD).

Los resultados se publicaron en la revista. Nano letras .

Beneficios del azufre de litio, y desafíos

"La química de la batería de litio-azufre ha atraído la atención porque tiene una energía específica teórica mucho más alta que la de las baterías de iones de litio, ", dice Cairns." Las baterías de litio y azufre también serían deseables porque el azufre no es tóxico, seguro y económico, ", agrega. Las baterías de Li / S serían más baratas que las baterías de iones de litio actuales, y serían menos propensos a los problemas de seguridad que han afectado a las baterías de iones de litio, como sobrecalentamiento y prender fuego.

El desarrollo de la batería de litio-azufre también tiene sus desafíos. Durante la descarga, los polisulfuros de litio tienden a disolverse del cátodo en los electrolitos y reaccionan con el ánodo de litio formando una capa de barrera de Li2S. Esta degradación química es una de las razones por las que la capacidad celular comienza a disminuir después de unos pocos ciclos.

Otro problema con las baterías de Li / S es que la reacción de conversión de azufre a Li2S y viceversa hace que el volumen del electrodo de azufre se hinche y se contraiga hasta en un 76 por ciento durante el funcionamiento de la celda. lo que conduce a la degradación mecánica de los electrodos. A medida que el electrodo de azufre se expande y contrae durante el ciclo, las partículas de azufre pueden aislarse eléctricamente del colector de corriente del electrodo.

El diseño holístico de células aborda la degradación química y mecánica

La celda prototipo diseñada por el equipo de investigación utiliza varias tecnologías electroquímicas para abordar esta serie de problemas. El cátodo está compuesto de óxido de azufre-grafeno (S-GO), un material desarrollado por el equipo que puede adaptarse al cambio de volumen del material activo del electrodo a medida que el azufre se convierte en Li2S en la descarga, y de regreso al azufre elemental en la recarga.

Para reducir aún más la degradación mecánica por el cambio de volumen durante la operación, el equipo utilizó un aglutinante elastomérico. Al combinar el aglutinante elastomérico de caucho de estireno butadieno (SBR) con un agente espesante, el ciclo de vida y la densidad de potencia de la celda de la batería aumentaron sustancialmente en comparación con las baterías que usaban aglutinantes convencionales.

Para abordar el problema de la disolución del polisulfuro y la degradación química, el equipo de investigación aplicó una capa de tensioactivo de bromuro de cetiltrimetil amonio (CTAB) que también se utiliza en sistemas de administración de fármacos. tintes y otros procesos químicos. El recubrimiento de CTAB en el electrodo de azufre reduce la capacidad del electrolito para penetrar y disolver el material del electrodo.

Es más, el equipo desarrolló un nuevo electrolito a base de líquido iónico. El nuevo electrolito inhibe la disolución de polisulfuros y ayuda a que la batería funcione a alta velocidad. aumentar la velocidad a la que se puede cargar la batería, y la potencia que puede ofrecer durante la descarga. El electrolito iónico a base de líquido también mejora significativamente la seguridad de la batería Li-S, ya que los líquidos iónicos no son volátiles ni inflamables.

La batería mostró inicialmente una energía específica de celda estimada de más de 500 Wh / kg y la mantuvo en> 300 Wh / kg después de 1, 000 ciclos, mucho más alto que el de las celdas de iones de litio disponibles actualmente, que actualmente promedian alrededor de 200 Wh / kg.

"Es la combinación única de estos elementos en la química y el diseño de la celda lo que ha llevado a una celda de litio-azufre cuyo rendimiento nunca antes se había logrado en el laboratorio:larga vida útil, capacidad de alta tasa, y alta energía específica a nivel celular, "dice Cairns.

El equipo ahora está buscando apoyo para el desarrollo continuo de la celda Li / S, incluida una mayor utilización de azufre, funcionamiento en condiciones extremas, y ampliación. Se buscan asociaciones con la industria.

Los siguientes pasos en el desarrollo son aumentar aún más la densidad de energía celular, mejorar el rendimiento de la celda en condiciones extremas, y escalar a celdas más grandes.