De 0 a 100 en 12 minutos: horario de las baterías de litio-azufre
Un estudio internacional muestra el potencial de las baterías de litio-azufre de carga rápida para la e-movilidad y la transición energética
Basta con coger un café y el coche está completamente cargado: así es como muchos se imaginan la movilidad del futuro. Pero las baterías actuales están todavía muy lejos de eso. Aunque las modernas baterías de iones de litio se cargan del 20% al 80% en unos 20 o 30 minutos, una carga completa tarda bastante más, y la carga rápida somete a las celdas a una gran tensión.
Jakob Offermann (izquierda) y el Dr. Mozaffar Abdollahifar (derecha) con una batería de iones de litio.
© Christina Anders, Uni Kiel
Un nuevo estudio internacional publicado en la revista "Advanced Energy Materials" muestra cómo las baterías de litio-azufre (LSB) podrían superar estas limitaciones. Investigadores de Alemania, India y Taiwán -coordinados por el Dr. Mozaffar Abdollahifar, del grupo del profesor Rainer Adelung en la Universidad de Kiel (CAU)- han analizado sistemáticamente cientos de estudios actuales y han demostrado qué mecanismos pueden utilizarse para hacer funcionar las LSB de forma estable y eficiente, incluso a altas velocidades de carga. Su objetivo: tiempos de carga inferiores a 30 minutos -lo ideal sería incluso sólo doce minutos- con una mayor densidad energética y una mayor autonomía.
Baterías de litio-azufre: Más autonomía, carga más rápida
Las LSB se consideran prometedoras sucesoras de las baterías de iones de litio. En estas últimas, los iones de litio se almacenan y se extraen de materiales de electrodos sólidos, mientras que en las LSB se producen reacciones químicas en las que se forman nuevos compuestos. Se utiliza un ánodo metálico de litio en combinación con un cátodo de azufre, lo que teóricamente da como resultado una capacidad de 2.600 vatios hora por kilogramo, unas diez veces más que los sistemas convencionales. En el futuro, los vehículos eléctricos podrán recorrer distancias mucho mayores con una sola carga.
Otra ventaja: el azufre es barato, está disponible en todo el mundo, es respetuoso con el medio ambiente y no es tóxico, por lo que existen muchos argumentos económicos a favor del cambio al azufre como material catódico.
Retos técnicos de la tecnología LSB
Hasta ahora, sin embargo, ha habido obstáculos técnicos para su uso generalizado: el azufre es un aislante eléctrico y debe combinarse con aditivos conductores, lo que aumenta el peso de la batería. El cátodo se dilata hasta un 80% durante la carga y la descarga, lo que puede perjudicar la estabilidad mecánica y la vida útil.
A esto se añade el "efecto lanzadera": durante la descarga se forman polisulfuros de litio solubles que migran al ánodo y provocan allí reacciones secundarias indeseables, con consecuencias negativas para la eficiencia y la estabilidad. "Además, en el ánodo de metal de litio pueden crecer dendritas (estructuras en forma de aguja) que pueden provocar cortocircuitos y, en el peor de los casos, causar incendios", explica Jakob Offermann, autor principal.
Estrategias para una carga rápida con alta seguridad
El estudio investiga específicamente el trabajo con tiempos de carga especialmente rápidos (a partir de 2C, es decir, carga en menos de 30 minutos) y una elevada carga de azufre, dos aspectos cruciales en la práctica. Los enfoques de solución importantes son:
- Diseño de cátodos: las estructuras de carbono conductoras, como los nanotubos, el grafeno o el carbono activado, mejoran el transporte de iones y el aprovechamiento del azufre, incluso con cargas de material elevadas. Los carbones ricos en defectos y dopados también ayudan a reducir el efecto lanzadera.
- Materiales catalíticos: los óxidos metálicos, los calcogenuros o los catalizadores de átomo único aceleran las reacciones del azufre y reducen el efecto lanzadera.
- Separadores optimizados: Las capas separadoras funcionales atrapan los polisulfuros y favorecen el transporte rápido de iones.
- Nuevos sistemas electrolíticos: Los electrolitos altamente concentrados y sólidos, así como los aditivos especiales, mejoran la conductividad, la compatibilidad con el metal de litio y suprimen las reacciones secundarias.
- Ánodos estables: capas protectoras como estructuras de litio tridimensionales e interfaces artificiales evitan la formación de dendritas.
- Nuevas formas de azufre: El azufre γ monoclínico permite una reacción directa en estado sólido, completamente sin el efecto lanzadera.
- Desarrollo de materiales con ayuda de la inteligencia artificial: los métodos de IA aceleran la búsqueda de materiales, predicen el rendimiento de las baterías y ayudan a que los procesos de carga sean más eficientes y seguros.
Las LSB como tecnología clave del futuro
"Nuestros análisis muestran que los tiempos de carga rápida inferiores a 30 minutos -en algunos casos incluso inferiores a 15 minutos- con un aumento simultáneo de la capacidad son realistas", afirma Mozaffar Abdollahifar. "Los primeros prototipos alcanzan actualmente valores prometedores de unos 2 mAh por centímetro cuadrado a velocidades de carga prácticas. Sin embargo, para superar realmente a las baterías de iones de litio existentes, hay que aumentar aún más la carga de material y el rendimiento."
El estudio combina la ciencia de los materiales, la electroquímica, la nanotecnología y la tecnología de baterías en un planteamiento holístico para las baterías de carga rápida. Presenta una nueva metodología que sirve de guía para el desarrollo de LSB de alto rendimiento, duraderas y seguras. Con criterios claros y un enfoque sistemático, el trabajo ofrece una hoja de ruta orientada a la práctica para la implantación de LSB de carga rápida en los campos de la movilidad y el almacenamiento de energía.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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