Las ventas de vehículos eléctricos nuevos van en aumento, pero existen importantes limitaciones en cuanto a la producción de baterías y vehículos. Los EV nuevos poseen rangos de autonomía de entre 300-500 km aproximadamente. Potencialmente, las nuevas baterías de litio-azufre podrían expandir los rangos de autonomía de los EV de manera considerable y reducir su costo, dado que el azufre es un material mucho más abundante que el cobalto utilizado actualmente. El área de transporte es una de las que más produce gases de efecto invernadero, por lo cual se necesitan muchos más EV para marcar una diferencia. Así, las baterías de litio-azufre podrían eventualmente ayudar a acelerar la producción e integración de los EV a distintos países.

Investigaciones en la Universidad de Monash en Australia han llevado al desarrollo de una batería de alto rendimiento y eficiencia energética: La batería de litio-azufre. Los artículos en la página web de la universidad mencionan que esta tecnología está cerca de ser comercializada y tiene el potencial de entregar a un vehículo eléctrico cerca de 1000 km de autonomía.

Dr. Mahdokht Shaibani, Investigador en Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en la Universidad de Monash, quien tuvo gran participación y relevancia en este proyecto, respondió algunas preguntas acerca del desarrollo de estás baterías para la página CleanTechnica.

¿Cómo es potencialmente posible que el litio-azufre utilizado en estas baterías tenga seis veces más energía para un mismo peso?

En un ion-litio, los iones de litio se desplazan entre el electrodo huésped positivo (con capacidad teórica de hasta 280 mAh g-1), donde se almacenan hasta la descarga, y el electrodo grafítico de carbono negativo, donde son almacenados en el proceso de carga hasta un máximo de Li0.16C (la relación 1 a 6 significa que la capacidad no es tan alta – la capacidad teórica es 370 mAh g-1). Los voltajes de las celdas están en el rango de entre 3.4-3.8 V versus Li/Li+. Las densidades teóricas de energía están alrededor de 500 Wh Kg-1 en base a los materiales de los electrodos.

El mecanismo de almacenamiento basado en la reacción redox en el sistema de Li-S es diferente al proceso de intercalación existente en las baterías de ion-litio. La capacidad teórica del azufre (electrodo positivo) es de 1675 mAh g-1, gracias a la formación de Li2S cuando el azufre se combina con el litio (electrodo negativo). La relación 2 es a 1 presente en estas baterías soluciona el problema de la sobre utilización del litio y promete ser una gran combinación para un ánodo de litio de ultra alta capacidad (3860 mAh g-1). Así, la densidad teórica de energía de un sistema Li-S es determinada por la capacidad teórica del sulfuro (1675 mAh g-1) y por su potencial de 2.15 V versus Li/Li+, el cual tiene un valor cercano a 2,5 Wh kg-1.

A pesar de que el litio-azufre ofrece en teoría un aumento de hasta cinco veces en la densidad de energía gravimétrica comparado con el ion-litio, desde un punto de vista práctico, y considerando las conclusiones de nuestro grupo de investigación junto a los avances que han presentados otras instituciones y compañías, lo que realmente se puede esperar ver inicialmente es un aumento del doble en la capacidad de las baterías.

¿Cómo evita su nuevo diseño que las baterías de litio-azufre se descompongan?

Irónicamente, el principal desafío que hemos tenido para generar en masa las baterías de litio-azufre es que la capacidad de almacenamiento del electrodo de azufre es tan alta que no se puede manejar el estrés resultante. Así, el electrodo se rompe, de la misma manera en que lo hace cuando lo sometemos a estrés. Esto produce un desgaste progresivo que lleva a un destrozo del cableado eléctrico existente alrededor del electrodo, que a su vez lleva a una rápida disminución del rendimiento energético.

El nuevo diseño se basa en el uso de un agente aglutinante tradicional, pero procesado de manera distinta, formando enlaces puentes ultra fuertes entre la matriz de carbono y las partículas de azufre, permitiendo que estas últimas tengan espacio extra para moverse a medida que la batería se expande durante el proceso de carga. En palabras simples ¡Solamente le di a las partículas de azufre un poco de espacio para respirar mientras realizan su ardua tarea!

Si dentro de los próximos 2-4 años, tuvieran baterías de litio-azufre listas para uso comercial ¿Serían en forma de pequeñas baterías para uso electrónico, o podría ser también en forma de baterías para vehículos eléctricos?

Dado que proyecta menores costos, nuestra prioridad es probar nuestra baterías en proyectos de gran escala, como los con los EV y las redes. Consideramos esto importante porque necesitamos tecnologías de almacenamiento que permitan tener energías nuevas y limpias aquí en Australia, en donde el cambio climático podría tener efectos desastrosos no solo en los ecosistemas, sino también en la vida de las personas, y creemos que el sistema Li-S es una solución muy prometedora.

Hoy en día los EV’s más nuevos tienen un rango de autonomía de entre 300-500 km ¿Podrían las baterías de litio-azufre aumentar aún más esta cifra?

De hecho, la densidad volumétrica de energía (Wh L-1) de un sistema Li-S es el mejor rival para las baterías de ion-litio, sin embargo, existe un gran potencial en estas nuevas baterías dado por su alta densidad gravimétrica de energía y también por su bajo costo de producción – ambos puede afectar la autonomía de un EV. Primero, baterías más ligeras aumentan el rango de los EV; segundo, baterías más ligeras y baratas significa que la producción de EV’s puede explorar nuevos conceptos en cuanto a espacio se refiere ¡No tendrían que preocuparse por costos ni peso! Las baterías de hoy en día ocupan una gran porción del espacio (de 33 hasta 57% dependiendo del vehículo) y del peso (de 20 hasta 25%) del vehículo, lo cual es un problema para los fabricantes dado que colocar más baterías no ayudaría dado la relación peso-energía.

Las baratas y livianas baterías de Li-S podrían solucionar este problema, permitiendo a los productores explorar nuevos conceptos de vehículos. Además, los investigadores de baterías podrían descubrir cómo aumentar la vida útil de una batería Li-S dependiendo de lo requerido para un vehículo eléctrico en específico, lo cual es muy probable que ocurra.

Si sus baterías de litio-azufre se llegan a comercializar ¿Patentarían este tipo de baterías y le darían licencias de patente a las compañías que quieran realizar sus propias baterías de litio azufre?

Esto ha sido un asunto de discusión interna y aún no hemos decidido cuales serían nuestros siguientes pasos.

Dado que el azufre es un material abundante, si su tecnología llegará a los mercados ¿significaría esto que las baterías para EV serían más baratas y eficientes?

Espero ya haber respondido esta pregunta, la respuesta corta es si.

¿Tendrían las baterías de litio-azufre la misma durabilidad que las baterías de ion-litio utilizadas actualmente en EV, o es muy pronto para decir eso?

Actualmente no. Aumentar la vida útil de una batería Li-S es el más grande desafío en torno a esta prometedora tecnología y se requieren de importantes avances en cuanto a la estabilización del ánodo de metal Li para lograr el número de 500 ciclos, el cual es un número adecuado para gran cantidad de aplicaciones. Justamente esto ha sido el foco de varios grupos de investigación  e I+D, tales como Fraunhofer IWS en Alemania, liderado por el Dr. Holger Althues.

Es importante destacar que, a diferencia del cátodo, las investigaciones respecto al ánodo no están tan avanzadas aún. Hay mucho que explorar y esperamos que existan importantes avances respecto a esto en el futuro cercano.

Una vez se acaba la vida útil de las baterías de ion-litio utilizadas actualmente en EV’s, estas pueden ser reutilizadas de otras formas, como almacenamiento estacionario de energía ¿Será esto posible también para las baterías de litio-azufre, o es muy pronto para decir algo al respecto?

Creo que reutilizar en redes las baterías Li-S que se han agotado es altamente probable.

Fuente: CleanTechnica (https://cleantechnica.com/2020/02/11/lithium-sulfur-batteries-could-be-cheaper-more-energy-dense/)