Energía
Electrocatalizadores nanocompuestos podrían reinventar las baterías de litio-sulfuro con tiempos de carga de 5 minutos
De litio-ion a litio-sulfuro
Las baterías de litio-ion han dominado el mercado de baterías hasta ahora. Esto se debe a su alta densidad de energía y a su ventaja inicial al ser ampliamente utilizadas y producidas para el mercado de consumo electrónico.
Cuando se aplican a otros usos, comenzaron a aparecer límites en las capacidades de las baterías de litio-ion. Por ejemplo, las baterías de litio-ion son relativamente lentas para recargar, 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 cita como una razón para que la gente se niegue a adoptar vehículos eléctricos.
Con los vehículos eléctricos ahora como el mayor consumidor de baterías por capacidad de potencia, una nueva química de batería que se cargue más rápido podría volverse rápidamente popular y competir con los diseños de litio-ion.
Una de estas nuevas químicas prometedoras son las baterías de litio-sulfuro. Los diseños anteriores eran incluso más lentos para cargar que las baterías de litio-ion, pero los nuevos nanomateriales podrían hacer que un vehículo eléctrico con batería de litio-sulfuro se cargue en solo 5 minutos.
Ventajas y desafíos de las baterías de litio-sulfuro
La nueva tecnología de baterías de litio-sulfuro fue descubierta por investigadores de universidades y institutos de investigación chinos y australianos (Adelaide, Tianjin, ANSTO y Tsinghua) y se publicó en Nature Nanotechnology con el título “Desarrollando baterías Li||S de alta potencia a través de la ingeniería de electrocatalizadores nanocompuestos de metal/carbono”.
Las baterías de litio-sulfuro han sido conocidas durante mucho tiempo por ofrecer una densidad de energía asombrosa, más del doble de energía de las baterías de litio-ion clásicas cuando se miden en Wh/kg (energía específica), y un rendimiento superior cuando se miden en Wh/L (capacidad específica).
Fuente: Vertex Holdings
Los problemas clave que impidieron que los prototipos de baterías de litio-sulfuro fueran ampliamente adoptados hasta ahora han sido la baja vida útil (1/3 de la de litio-ion) y la velocidad de carga muy lenta, que requiere 1-10 horas para una carga completa.
Algo obviamente inaceptable para los vehículos eléctricos, con usuarios que ya se quejan de los 20-30 minutos con las baterías de litio-ion.
(Hablamos de muchas químicas alternativas a las de litio-ion en nuestro artículo de referencia “El futuro de la movilidad – Tecnología de baterías”).
Las limitaciones de las baterías de litio-sulfuro han cambiado repentinamente gracias al reciente descubrimiento publicado en Nature, con un nuevo diseño de batería de litio-sulfuro que promete rendimientos asombrosos:
- Vida útil de al menos 1.000 ciclos, similar a la de las baterías de litio-ion.
- Energía específica de 1.306 Wh/kg, 10 veces más que la de las baterías de litio-ion, y incluso superior a la mayoría de los diseños de baterías de estado sólido.
- Ciclo de carga/descarga de menos de 5 minutos.
Construyendo baterías de litio-sulfuro a escala nanométrica
¿Cómo lograron los investigadores construir lo que parece ser la batería perfecta?
Primero, examinaron a nivel atómico/cuántico la reacción de reducción de azufre (SRR), la parte clave que controla la tasa de carga/descarga. Para lograr esto, utilizaron un acelerador de partículas (Australian Synchrotron, ANSTO) para determinar la ocupación exacta de los orbitales atómicos (la posición de los electrones alrededor del átomo de azufre) en los catalizadores metálicos.
Armados con estos datos nunca antes analizados, lograron predecir con precisión la velocidad y el proceso de la reacción de reducción de azufre (SRR).
Con este modelo predictivo en mano, diseñaron electrocatalizadores nanocompuestos, hechos de carbono y varios aleaciones de metales electrocatalizadores como hierro, cobalto, níquel, cobre y zinc.
Finalmente, se seleccionó una aleación de cobalto y zinc, con los rendimientos asombrosos explicados anteriormente.
¿Qué sigue?
El desarrollo de una “super batería” como esta podría ser un punto de inflexión en la electrificación de nuestros sistemas de energía, desde el transporte hasta la adopción masiva de fuentes de energía renovable.
Sin embargo, todavía es pronto, y hay algunas preguntas que deben ser respondidas antes de que las baterías de litio-sulfuro tomen el control.
Materiales raros
Las baterías de litio-ion y los fabricantes de vehículos eléctricos han estado tratando de 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 ha sido vinculada a trabajo infantil y esclavo y, en general, a abusos contra los derechos humanos.
Así que el nanoclúster de cobalto-zinc utilizado en el electrocatalizador también tendrá que lidiar con ese problema.
Costos
Los altos costos de los materiales son otra razón por la que la industria se está alejando de los diseños que utilizan cobalto en favor de baterías que utilizan tecnología de estado sólido, litio-fierro-fosfato (LFP) o sodio-ion.
Así que esto podría ser un problema para las baterías de litio-sulfuro que utilizan cobalto. Incluso si son mucho más eficientes y densas en términos de energía que las baterías de litio-ion.
Al mismo tiempo, una energía específica extremadamente alta significa que se necesitarán menos baterías para la misma autonomía del vehículo eléctrico.
Esto, a su vez, reduce significativamente el peso del vehículo eléctrico, ya que las baterías actualmente representan más del 25% del peso del vehículo. Un peso más bajo aumenta la autonomía aún más.
Los factores determinantes reales serán el precio por vatio-hora de las baterías de litio-sulfuro y cuánto puede reducirse el peso de la batería.
Producción en masa
La última década ha visto muchas innovaciones en materiales y diseños en la tecnología de baterías. Pero convertir una celda de moneda hecha en un laboratorio en un paquete de baterías y, a continuación, crear un proceso a escala de fábrica para construirlos no es trivial.
Esto no se debe a que la tecnología no funcione, sino a que producir a escala baterías de estado sólido sin problemas de calidad y a bajo costo ha resultado muy desafiante.
Así que probablemente todavía hay muchos pasos por delante para convertir este prototipo de batería de litio-sulfuro en una batería comercial.
Conclusión
Las baterías han sido el punto débil de los vehículos eléctricos desde su invención, algo que se está resolviendo lentamente a través de los enormes esfuerzos de investigación de universidades de todo el mundo, así como de líderes de la industria como CATL, Telsa, LG, etc.
No está claro qué diseño o química prevalecerá finalmente. El contendiente más fuerte parece ser las baterías de estado sólido, y las baterías de litio-sulfuro pueden ser la generación de baterías que vendrá después de la comercialización de las baterías de estado sólido.
Las baterías LFP y sodio-ion también pueden estar alrededor para aplicaciones y productos centrados en bajos costos en lugar de alto rendimiento.
Y, por supuesto, tal vez incluso diseños más exóticos para baterías de escala de servicios públicos con requisitos muy diferentes en comparación con los vehículos eléctricos, como baterías de aire-hierro, redox, gravedad o concreto que discutimos en nuestros artículos “El futuro de la energía de almacenamiento – Tecnología de baterías de escala de servicios públicos” y “Alternativas no químicas a las baterías para la transición energética“.
En cualquier caso, el futuro de los sistemas de energía tiende hacia la electrificación masiva. Y la tecnología de baterías está avanzando muy rápidamente, lo que probablemente eliminará el último obstáculo para la adopción masiva de vehículos eléctricos y fuentes de energía renovable.
