Una ilustración del diseño de Chalmers para una batería de litio y azufre. La calidad altamente porosa del aerogel de grafeno permite un remojo de azufre lo suficientemente alto como para hacer que el concepto de catolito valga la pena. Crédito:Yen Strandqvist / Universidad Tecnológica de Chalmers
Para satisfacer las demandas de un futuro eléctrico, las nuevas tecnologías de baterías serán esenciales. Una opción son las baterías de azufre de litio, que ofrecen una densidad de energía teórica más de cinco veces mayor que la de las baterías de iones de litio. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, reveló recientemente un avance prometedor para este tipo de batería, utilizando un catolito con la ayuda de una esponja de grafeno.
La idea novedosa de los investigadores es una porosa, aerogel similar a una esponja hecho de óxido de grafeno reducido que actúa como un electrodo independiente en la celda de la batería y permite una mejor y mayor utilización del azufre.
Una batería tradicional consta de cuatro partes. Primero, hay dos electrodos de soporte recubiertos con una sustancia activa, que se conocen como ánodo y cátodo. Entre ellos hay un electrolito, generalmente un líquido, permitiendo que los iones se transfieran de un lado a otro. El cuarto componente es un separador, que actúa como barrera física, evitando el contacto entre los dos electrodos y permitiendo la transferencia de iones.
Los investigadores experimentaron previamente con la combinación del cátodo y el electrolito en un líquido, un llamado 'catolito'. El concepto puede ayudar a ahorrar peso en la batería, además de ofrecer una carga más rápida y mejores capacidades de energía. Ahora, con el desarrollo del aerogel de grafeno, el concepto ha demostrado ser viable, ofreciendo unos resultados muy prometedores.
Tomando una caja de batería de celda de moneda estándar, los investigadores primero insertaron una capa delgada del aerogel de grafeno poroso. "Tomas el aerogel, que es un cilindro largo y delgado, y luego lo cortas, casi como un salami. Tomas esa rebanada y comprímalo para que quepa en la batería, "dice Carmen Cavallo del Departamento de Física de Chalmers, e investigador principal del estudio. Luego, una solución rica en azufre, el catolito, se agrega a la batería. El aerogel altamente poroso actúa como soporte, absorbiendo la solución como una esponja.
"La estructura porosa del aerogel de grafeno es clave. Absorbe una gran cantidad de catolito, proporcionándole una carga de azufre suficientemente alta para que el concepto de catolito valga la pena. Este tipo de catolito semilíquido es realmente imprescindible aquí. Permite que el azufre circule de un lado a otro sin pérdidas. No se pierde por disolución, porque ya está disuelto en la solución catolítica, "dice Carmen Cavallo.
Parte de la solución de catolito también se aplica al separador, para que cumpla su función de electrolito. Esto también maximiza el contenido de azufre de la batería.
La mayoría de las baterías disponibles comercialmente son baterías de iones de litio. Pero este tipo de batería está llegando a sus límites, y los nuevos enfoques químicos se están volviendo esenciales para aplicaciones con mayores requisitos de energía. Las baterías de azufre de litio ofrecen varias ventajas, incluyendo una densidad de energía mucho mayor. Las mejores baterías de iones de litio actualmente en el mercado funcionan a aproximadamente 300 vatios-hora por kg, con un máximo teórico de alrededor de 350. Mientras tanto, baterías de azufre de litio, tienen una densidad de energía teórica de alrededor de 1000-1500 vatios-hora por kg.
"Es más, el azufre es barato, muy abundante, y mucho más ecológico. Las baterías de litio y azufre también tienen la ventaja de que no necesitan contener flúor perjudicial para el medio ambiente. como se encuentra comúnmente en las baterías de iones de litio, "dice Aleksandar Matic, Profesor del Departamento de Física de Chalmers, quien lidera el grupo de investigación detrás del artículo.
"El aerogel es un tubo largo y delgado. Se corta, casi como un salami. Tomas esa rebanada y comprimirlo, para encajar en la batería, "dice Carmen Cavallo del Departamento de Física de Chalmers, e investigador principal del estudio. Crédito:Johan Bodell / Universidad Tecnológica de Chalmers
El problema con las baterías de azufre de litio hasta ahora ha sido su inestabilidad, y consecuente ciclo de vida bajo. Las versiones actuales se degeneran rápidamente y tienen una vida útil limitada con un número de ciclos imprácticamente bajo. Pero al probar su nuevo prototipo, los investigadores de Chalmers demostraron una retención de capacidad del 85 por ciento después de 350 ciclos.
El nuevo diseño evita los dos problemas principales con la degradación de las baterías de azufre de litio:uno, que el azufre se disuelve en el electrolito y se pierde, y dos, un 'efecto de desplazamiento, 'por lo que las moléculas de azufre migran del cátodo al ánodo. En este diseño, estos problemas indeseables se reducen drásticamente.
El artículo, "Un aerogel de óxido de grafeno reducido independiente como electrodo de soporte en un Li sin flúor 2 S 8 batería catolyte Li-S, "se publica en el Diario de fuentes de energía .
Los investigadores señalan, sin embargo, que todavía queda un largo camino por recorrer antes de que la tecnología pueda alcanzar el potencial de mercado completo. "Dado que estas baterías se fabrican de forma alternativa a la mayoría de las baterías normales, será necesario desarrollar nuevos procesos de fabricación para que sean comercialmente viables, "dice Aleksandar Matic.
