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Investigadores desarrollan un material catódico revolucionario para baterías de litio y azufre

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El nuevo material del cátodo es un cristal compuesto de azufre y yodo.
Las baterías de litio-azufre (Li-S) son prometedoras para acercar al mercado baterías más densas en energía y de bajo costo. Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un material catódico avanzado para baterías de litio-azufre (Li-S) que es curable y altamente conductor, superando los desafíos de larga data de los cátodos de azufre tradicionales. Estas mejoras superan las limitaciones de los cátodos actuales de las baterías de litio-azufre.
 
El documento de trabajo informativo ha sido publicado en la revista Nature .
 
Las baterías de litio-azufre de estado sólido son un tipo de batería recargable que consta de un electrolito sólido, un ánodo de litio metálico y un cátodo de azufre. Estas baterías son prometedoras como una alternativa superior a las actuales baterías de iones de litio, ya que ofrecen una mayor densidad de energía y menores costos. Tienen el potencial de almacenar hasta el doble de energía por kilogramo que las baterías de iones de litio convencionales; en otras palabras, podrían duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso del paquete de baterías. Además, el uso de materiales abundantes y de fácil obtención los convierte en una opción económicamente viable y más respetuosa con el medio ambiente.
 
Pero el desarrollo de baterías de estado sólido de litio y azufre ha estado históricamente plagado de las características inherentes de los cátodos de azufre. El azufre no solo es un mal conductor de electrones, sino que los cátodos de azufre también experimentan una expansión y contracción significativas durante la carga y descarga, lo que provoca daños estructurales y una disminución del contacto con el electrolito sólido. Estos problemas en conjunto disminuyen la capacidad del cátodo para transferir carga, comprometiendo el rendimiento general y la longevidad de la batería de estado sólido.
 
Para superar estos desafíos, un equipo dirigido por investigadores del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego desarrolló un nuevo material catódico: un cristal compuesto de azufre y yodo. Al insertar moléculas de yodo en la estructura cristalina de azufre, los investigadores aumentaron drásticamente la conductividad eléctrica del material del cátodo en 11 órdenes de magnitud, haciéndolo 100 mil millones de veces más conductor que los cristales hechos solo de azufre.
 
El coautor principal del estudio, Ping Liu, profesor de nanoingeniería y director del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego, comentó: “Estamos muy entusiasmados con el descubrimiento de este nuevo material. El drástico aumento de la conductividad eléctrica del azufre es una sorpresa y científicamente muy interesante”.
 
Además, el nuevo material cristalino posee un punto de fusión bajo de 65º Celsius (149º Fahrenheit), que es más bajo que la temperatura de una taza de café caliente. Esto significa que el cátodo se puede volver a fundir fácilmente después de cargar la batería para reparar las interfaces dañadas por el ciclo. Esta es una característica importante para abordar el daño acumulativo que se produce en la interfaz sólido-sólido entre el cátodo y el electrolito durante cargas y descargas repetidas.
 
El coautor principal del estudio, Shyue Ping Ong, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, comentó: “Este cátodo de yoduro de azufre presenta un concepto único para gestionar algunos de los principales impedimentos para la comercialización de baterías Li-S. El yodo rompe los enlaces intermoleculares que mantienen unidas las moléculas de azufre en la cantidad justa para reducir su punto de fusión a la zona de Ricitos de Oro, por encima de la temperatura ambiente pero lo suficientemente baja como para que el cátodo se vuelva a curar periódicamente mediante fusión”.
 
El coprimer autor del estudio, Jianbin Zhou, ex investigador postdoctoral en nanoingeniería del grupo de investigación de Liu, añadió: "El bajo punto de fusión de nuestro nuevo material catódico hace posible la reparación de las interfaces, una solución muy buscada para estas baterías", dijo el coautor del estudio. El primer autor, Jianbin Zhou, ex investigador postdoctoral en nanoingeniería del grupo de investigación de Liu. "Este nuevo material es una solución habilitadora para futuras baterías de estado sólido de alta densidad de energía".
 
Para validar la eficacia del nuevo material catódico, los investigadores construyeron una batería de prueba y la sometieron a ciclos repetidos de carga y descarga. La batería permaneció estable durante más de 400 ciclos conservando el 87 por ciento de su capacidad.
 
"Este descubrimiento tiene el potencial de resolver uno de los mayores desafíos para la introducción de baterías de litio-azufre de estado sólido al aumentar drásticamente la vida útil de una batería", dijo el coautor del estudio Christopher Brooks, científico jefe del Honda Research Institute USA. , Inc. "La capacidad de una batería de autocurarse simplemente aumentando la temperatura podría extender significativamente el ciclo de vida total de la batería, creando un camino potencial hacia la aplicación en el mundo real de baterías de estado sólido".
 
El equipo está trabajando para seguir avanzando en la tecnología de baterías de litio y azufre de estado sólido mejorando los diseños de ingeniería de las celdas y ampliando el formato de las celdas.
 
"Aunque queda mucho por hacer para ofrecer una batería de estado sólido viable, nuestro trabajo es un paso importante", afirmó Liu. "Este trabajo fue posible gracias a excelentes colaboraciones entre nuestros equipos en UC San Diego y nuestros socios de investigación en laboratorios nacionales, el mundo académico y la industria".
 
Bueno, el doble de capacidad durante un año y un mes por un precio mucho más bajo podría funcionar. La pregunta es ¿cuántas refundiciones puede soportar el sistema? 2 no llegarán muy lejos pero 10 o 20 sería una revolución.
 
Será necesario que exista una configuración estándar para fines de refundición. Algunos sistemas de codificación no pueden prever una fusión interminable y hacen que un sistema de intercambio sea práctico.
 
Como se ha señalado, queda un largo proceso de desarrollo por delante. Y la pregunta que se hace mucha gente es ¿qué tan bien funcionarán en una mañana fría y ventosa en Chicago durante enero?
 
Quizás la noticia más importante sea el efecto del yodo sobre el azufre. ¡Esa es una noticia asombrosa, en verdad!
 
Por Brian Westenhaus a través de New Energy and Fuel