Baterías de litio-azufre con poco electrolito: áreas problemáticas identificadas
Utilizando un método no destructivo, un equipo de la HZB ha investigado por primera vez las baterías de litio-azufre en un práctico formato de celda de bolsa, que se conforman con muy poco líquido electrolítico. Mediante tomografía de neutrones operando, pudieron visualizar en tiempo real cómo el electrolito líquido se distribuye en varias capas y moja los electrodos durante la carga y la descarga. Estos hallazgos aportan información valiosa sobre los mecanismos que pueden provocar fallos en las baterías y son útiles para el desarrollo de baterías Li-S compactas con alta densidad energética.
Las baterías de litio-azufre (baterías Li-S) se consideran una de las tecnologías de baterías de nueva generación más interesantes. Las baterías de Li-S pueden alcanzar densidades gravimétricas de energía extremadamente altas (por ejemplo, más de 700 Wh/kg, frente a los aproximadamente 250 Wh/kg de las baterías de Li-ion más avanzadas actualmente disponibles), lo que las hace especialmente atractivas para aplicaciones en el sector aeroespacial, la robótica y los vehículos eléctricos de largo alcance. Además, el elemento azufre, disponible en abundancia, ofrece una alternativa convincente a metales críticos y geopolíticamente sensibles como el cobalto y el níquel, que se utilizan en las baterías de iones de litio.
Sin embargo, la densidad energética práctica se ve limitada por la elevada proporción en peso de materiales inactivos como el electrolito. Por lo tanto, para aumentar la densidad energética de las baterías de litio-azufre a nivel de celda, es necesario reducir la cantidad de electrolito. Sin embargo, cuanto menos electrolito haya en la célula de la batería, más difícil será humedecer completamente los electrodos. Sin embargo, una humectación incompleta altera los procesos electroquímicos y provoca un envejecimiento más rápido o incluso el fallo de la pila. "Es crucial la forma en que el electrolito moja los electrodos, penetra en sus poros y se distribuye en las celdas Li-S. Sin embargo, debido al diseño cerrado de las baterías, es extremadamente difícil observar esto de forma no destructiva", afirma el químico de HZB Prof. Dr. Yan Lu, que dirigió el estudio.
Para observar la humectación dinámica de las baterías durante la carga y descarga en sistemas de baterías Li-S, el equipo de Yan Lu utilizó un método no destructivo, la tomografía de neutrones. Para ello, el equipo fabricó primero pilas de Li-S de varias capas con electrolito reducido conforme a parámetros relevantes para la industria. El Dr. Ingo Manke y el Dr. Nikolay Kardjilov, del grupo de imagen de HZB, examinaron estas muestras con neutrones en el Institut Laue-Langevin de Grenoble para localizar con la máxima precisión elementos ligeros como el litio y el hidrógeno.
"Esto nos permitió observar por primera vez en tiempo real cómo se comporta el electrolito líquido y cómo cambia localmente con el tiempo la humectación en las distintas capas de una pila de bolsa. Hemos sacado de ello algunas conclusiones interesantes", afirma Yan Lu.
Durante la fase de reposo de la pila a tensión de circuito abierto, las zonas no humedecidas se acumulan en áreas localizadas, sobre todo al principio. La fase de reposo mejora inicialmente la humectación, pero una fase de reposo prolongada sólo influye mínimamente en la humectación global.
Los procesos de descarga/carga mejoran notablemente la homogeneidad del electrolito y favorecen así la activación electroquímica del azufre, aumentando la capacidad de las baterías. Por primera vez, el equipo observó procesos periódicos en la humectación del electrolito que se correlacionan con la disolución y precipitación de compuestos de azufre. "El comportamiento dinámico de humectación del electrolito difiere significativamente del de las baterías de iones de litio convencionales debido a la química especial de los sistemas Li-S", afirma el Dr. Liqiang Lu, investigador postdoctoral del equipo de Yan Lu y primer autor de la publicación.
"Se trata de una importante contribución a la comprensión de los mecanismos que conducen al rápido envejecimiento y fallo de tales sistemas. Estos hallazgos ayudarán a aumentar la densidad energética de las baterías Li-S preservando su vida útil", afirma Yan Lu.
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Publicación original
Liqiang Lu, Nikolay Kardjilov, Xiangqi Meng, Kang Dong, Yaolin Xu, Qingping Wu, Alessandro Tengattini, Lukas Helfen, Jin Yang, Yan Guo, Moritz Exner, Ingo Manke, Yan Lu; "Visualising the dynamic wetting and redistribution of electrolyte in lean-electrolyte lithium-sulphur pouch cells via operando neutron imaging"; Advanced Energy Materials (2025).
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