Los nanocompuestos electrocatalíticos podrían reinventar las baterías de litio‑azufre con tiempos de carga de 5 minutos

De ion de litio a litio‑azufre

Hasta ahora, las baterías de ion de litio han dominado el mercado de baterías.  Esto se debe tanto a su alta densidad de energía como a su ventaja inicial al haber sido ampliamente utilizadas y fabricadas para el mercado de consumo electrónico.

Al aplicarse a otros usos, comenzaron a aparecer límites en la capacidad de las baterías de ion de litio. Por ejemplo, estas baterías son relativamente lentas para recargarse y, aunque la carga rápida es posible, tiende a dañar la vida útil de la batería.

La carga lenta ha sido un problema constante para los propietarios de vehículos eléctricos y a menudo se menciona como una razón por la que la gente se niega a adoptar los vehículos eléctricos.

Con los vehículos eléctricos siendo ahora el mayor consumidor de baterías por capacidad de potencia, una nueva química de baterías que cargue más rápido podría volverse rápidamente popular y competir con los diseños de ion de litio.

Una química prometedora es la batería de litio‑azufre. Los diseños anteriores eran incluso más lentos de cargar que las de ion de litio, pero los nuevos nanomateriales podrían permitir que un vehículo eléctrico alimentado por litio‑azufre se cargue en solo 5 minutos.

Ventajas y desafíos del litio‑azufre

La nueva tecnología de baterías de litio‑azufre fue descubierta por investigadores de universidades e institutos de investigación chinos y australianos (Adelaide, Tianjin, ANSTO y Tsinghua) y publicada en Nature Nanotechnology bajo el título “Desarrollo de baterías de alta potencia Li||S mediante la ingeniería de electrocatalizadores nanocompuestos de metal de transición/carbono”.

Se sabe desde hace tiempo que las baterías de litio‑azufre ofrecen una asombrosa densidad de energía, más del doble de la energía de las baterías clásicas de ion de litio cuando se mide en Wh/kg (energía específica), y un rendimiento superior cuando se mide en Wh/L (capacidad específica).

Fuente: Vertex Holdings

Los principales problemas que han impedido que los prototipos de baterías de litio‑azufre se adopten ampliamente hasta ahora han sido la corta vida útil (1/3 de la de ion de litio) y la velocidad de carga muy lenta, que requiere de 1 a 10 horas para una carga completa.

Algo obviamente inaceptable para los vehículos eléctricos, cuyos usuarios ya se quejan de los 20‑30 minutos con las baterías de ion de litio.

(Discutimos muchas químicas alternativas al ion de litio en nuestro artículo de referencia “El futuro de la movilidad – Tecnología de baterías”).

Las limitaciones del litio‑azufre han cambiado repentinamente gracias al reciente descubrimiento publicado en Nature, con un nuevo diseño de litio‑azufre que promete rendimientos asombrosos:

• Vida útil de al menos 1.000 ciclos, similar a la de ion de litio.
• Energía específica de 1.306 Wh/kg, 10 veces más que el ion de litio, e incluso superior a la mayoría de los diseños de baterías de estado sólido.
• Ciclo de carga/descarga de menos de 5 minutos.

Construcción de baterías de litio‑azufre a escala nanométrica

Entonces, ¿cómo lograron los investigadores construir lo que parece ser la batería perfecta?

Primero, examinaron a nivel atómico/cuántico la reacción de reducción del azufre (SRR), la parte clave que controla la velocidad de carga/descarga. Para lograrlo, utilizaron un acelerador de partículas (Australian Synchrotron, ANSTO) para determinar la ocupación exacta del orbital atómico (la posición de los electrones alrededor del átomo de azufre) en catalizadores basados en metales.

Con estos datos nunca antes analizados, lograron predecir con precisión la velocidad y el proceso de la reacción de reducción del azufre (SRR).

Con este modelo predictivo, diseñaron electrocatalizadores nanocompuestos, hechos de carbono y varias aleaciones diferentes de electrocatalizadores metálicos como hierro, cobalto, níquel, cobre y zinc.

Finalmente, se seleccionó una aleación de cobalto y zinc, con los rendimientos notables descritos anteriormente.

¿Qué sigue?

El desarrollo de una “súper batería” de este tipo podría ser un punto de inflexión en la electrificación de nuestros sistemas energéticos, desde el transporte hasta la adopción masiva de energías renovables que requieren baterías de gran escala y gran potencia.

Sin embargo, aún es temprano, y quedan algunas preguntas por responder antes de que las baterías de litio‑azufre se impongan.

Materiales raros

Los fabricantes de baterías de ion de litio y de vehículos eléctricos han intentado alejarse de los diseños que utilizan cobalto durante años. Esto se debe a que el cobalto es un mineral raro, y su principal fuente ha sido el Congo, donde la producción de cobalto se ha vinculado al trabajo infantil y esclavo y, en general, a violaciones de derechos humanos.

Por lo tanto, el nanoclúster de cobalto‑zinc utilizado en el electrocatalizador también tendrá que enfrentar ese problema.

Costos

Los altos costos de los materiales son otra razón por la que la industria se aleja de los diseños basados en cobalto en favor de baterías que utilizan estado sólido, fosfato de hierro y litio (LFP) o ion de sodio.

Así que esto podría ser un problema para las baterías de litio‑azufre basadas en cobalto. Incluso si son mucho más eficientes y densas en energía que las de ion de litio.

Al mismo tiempo, una energía específica extremadamente alta significa que se necesitarán menos baterías para el mismo rango del vehículo eléctrico.

Esto, a su vez, reduce enormemente el peso del vehículo eléctrico, ya que las baterías actualmente representan más del 25 % del peso del vehículo. Un menor peso aumenta aún más la autonomía.

Los factores determinantes reales serán el precio por Wh de las baterías de litio‑azufre y cuánto se pueda reducir el peso del paquete de baterías.

Producción en masa

La última década ha visto numerosos materiales y diseños innovadores en la tecnología de baterías. Pero convertir una celda de moneda fabricada en laboratorio en un paquete de baterías, y luego crear un proceso a escala de fábrica para producirlas, no es trivial.

Por ejemplo, la fecha de comercialización de las baterías de estado sólido ha sido pospuesta repetidamente año tras año por QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG, etc. (QS )

Esto no se debe a que la tecnología no funcione, sino a que la producción masiva a escala de baterías de estado sólido, sin problemas de calidad y a bajo costo, ha demostrado ser muy desafiante.

Por lo tanto, es probable que aún queden muchos pasos por delante para convertir este prototipo de litio‑azufre en una batería comercial.

Conclusión

Las baterías han sido el punto débil de los vehículos eléctricos desde su origen, algo que se está resolviendo lentamente gracias a los enormes esfuerzos de investigación de universidades de todo el mundo, así como de líderes de la industria como CATL, Tesla , LG, etc.

No está claro qué diseño o química prevalecerá finalmente. El candidato más fuerte parece ser las baterías de estado sólido, y el litio‑azufre podría ser la generación de baterías que llegará después de la comercialización de las de estado sólido.

Las baterías LFP y de ion de sodio también podrían estar presentes para aplicaciones y productos centrados en bajos costos en lugar de alto rendimiento.

Y, por supuesto, quizás incluso diseños más exóticos para baterías a escala de servicios públicos con requisitos muy diferentes comparados con los vehículos eléctricos, como baterías de hierro‑aire, redox, gravedad o de hormigón, que discutimos en nuestros artículos “El futuro del almacenamiento de energía – Baterías a escala de servicios públicos” y “Alternativas no químicas a las baterías para la transición energética”.

En cualquier caso, el futuro de los sistemas energéticos tiende hacia la electrificación masiva. Y la tecnología de baterías avanza muy rápidamente, lo que probablemente eliminará el último obstáculo para la adopción masiva de vehículos eléctricos y energías renovables.