Imagine un automóvil eléctrico que puede viajar 600, 700 o incluso 1000 millas con una sola carga. Eso está muy lejos del vehículo eléctrico de mayor alcance en el mercado estadounidense, según la revista Car and Driver, y el doble de la calificación oficial para el Tesla Model 3 de largo alcance y tracción trasera, que tiene un alcance máximo de 363 millas.
Los vehículos eléctricos actuales utilizan baterías de iones de litio, que también se encuentran en teléfonos inteligentes, computadoras portátiles e incluso grandes sistemas de almacenamiento de energía conectados a la red. Estas baterías, que han sido un estándar durante décadas, han sido modificadas y mejoradas por generaciones de científicos y ahora están cerca de sus límites físicos. Incluso con los mejores materiales y los diseños más optimizados, hay una cantidad limitada de energía que se puede almacenar en una batería de iones de litio.
Soy ingeniero de materiales que estudia estas baterías y busca alternativas con mejor rendimiento, mayor sostenibilidad ambiental y menores costos. Un diseño prometedor utiliza azufre, lo que podría aumentar significativamente la capacidad de la batería, aunque aún quedan algunos obstáculos clave antes de que pueda usarse ampliamente.
Litio-azufre versus iones de litio
Cada batería tiene tres componentes básicos: una región cargada positivamente, llamada cátodo; una región cargada negativamente, llamada ánodo; y una sustancia llamada electrolito en el medio, a través del cual los átomos cargados, también conocidos como iones, se mueven entre el cátodo y el ánodo.
En una batería de iones de litio, el cátodo está hecho de un óxido metálico, que generalmente contiene metales como níquel, manganeso y cobalto, unidos con oxígeno. Los materiales están en capas, con iones de litio físicamente entre las capas. Durante la carga, los iones de litio se desprenden del material estratificado del cátodo y viajan a través del electrolito hasta el ánodo.
El ánodo suele ser grafito, que también está estratificado, con espacio para que quepan los iones de litio entre ellos. Durante la descarga, los iones de litio abandonan las capas de grafito, regresan a través del electrolito y se reinsertan en la estructura del cátodo en capas, recombinándose con el óxido metálico para liberar la electricidad que alimenta los automóviles y los teléfonos inteligentes.
Las baterías de litio-azufre como ésta tienen una química diferente a la de las baterías de iones de litio más familiares. Egibe vía Wikimedia Commons, CC BI-SA
En una batería de litio-azufre, los iones de litio todavía se mueven hacia adelante y hacia atrás, pero la química es diferente. Su cátodo está hecho de azufre incrustado en una matriz de carbono que conduce la electricidad, y su ánodo está hecho principalmente de litio, en lugar de capas de grafito con litio en el medio.
Durante la descarga, los iones de litio viajan desde el ánodo, a través del electrolito, hasta el cátodo, donde, en lugar de deslizarse entre las capas del cátodo, convierten químicamente el azufre en pasos sucesivos en una serie de compuestos llamados sulfuros de litio. Durante la carga, los iones de litio se separan de los compuestos de sulfuro, abandonan el cátodo y regresan al ánodo.
El proceso de carga y descarga de las baterías de litio-azufre es una reacción de conversión química que involucra más electrones que el mismo proceso en las baterías de iones de litio. Esto significa que, en teoría, una batería de litio-azufre puede almacenar mucha más energía que una batería de iones de litio del mismo tamaño.
El azufre es barato y está disponible en abundancia en todo el mundo, lo que significa que los fabricantes de baterías no tienen que depender de metales raros como el níquel y el cobalto, que se distribuyen de manera desigual en la Tierra y a menudo provienen de regiones como la República Democrática del Congo, que tienen regulaciones de seguridad laboral limitadas y prácticas laborales justas.
Esas ventajas podrían generar baterías con capacidades mucho mayores que sean más baratas y más sostenibles de fabricar.
¿Por qué las baterías de litio-azufre aún no se utilizan de forma generalizada?
El mayor obstáculo para la producción y el uso en masa de baterías a base de azufre es la durabilidad. Una buena batería de iones de litio, como las de un vehículo eléctrico, puede pasar por miles de ciclos de descarga y recarga antes de que su capacidad comience a disminuir. Eso equivale a miles de viajes en coche.
Pero las baterías de litio-azufre tienden a perder capacidad mucho más rápido, a veces después de menos de 100 ciclos. Eso no es mucho viaje en absoluto.
La razón está en la química. Durante las reacciones químicas que almacenan y liberan energía en una batería de litio-azufre, algunos de los compuestos de sulfuro de litio se disuelven en el electrolito líquido de la batería.
Cuando esto sucede, esas cantidades de azufre y litio se eliminan del uso en todas las reacciones restantes. Este efecto, conocido como “lanzadera”, significa que con cada ciclo de descarga y recarga, hay menos elementos disponibles para liberar y almacenar energía.
En las últimas décadas, la investigación ha producido diseños mejorados. Las versiones anteriores de estas baterías perdieron gran parte de su capacidad en unas pocas docenas de ciclos de carga y descarga, e incluso los mejores prototipos de laboratorio lucharon por sobrevivir más allá de unos pocos cientos.
Los nuevos prototipos conservan más del 80% de su capacidad inicial incluso después de miles de ciclos. Esta mejora proviene del rediseño de partes clave de la batería y del ajuste de los químicos involucrados: electrolitos especiales ayudan a evitar que el sulfuro de litio se disuelva y se mueva.
También se han mejorado los electrodos, utilizando materiales como el carbono poroso que puede atrapar físicamente los sulfuros de litio intermedios, evitando que se alejen del cátodo. Esto ayuda a que las reacciones de descarga y carga se produzcan sin tanta pérdida, lo que hace que las reacciones sean más eficientes para que la batería dure más.
El camino a seguir
Las baterías de litio-azufre ya no son una frágil curiosidad de laboratorio, pero existen importantes desafíos antes de que se conviertan en candidatos serios para el almacenamiento de energía en el mundo real.
En términos de seguridad, las baterías de litio-azufre tienen un cátodo menos volátil que las baterías de iones de litio, pero continúa la investigación sobre otros aspectos de la seguridad.
Otro problema es que cuanta más energía almacena una batería de litio-azufre, menos ciclos de carga puede soportar. Esto se debe a que las reacciones químicas involucradas son más intensas con mayor energía.
Es posible que esta compensación no sea una barrera importante para el uso de estas baterías en drones o almacenamiento de energía a escala de red, donde las densidades de energía ultraaltas son menos críticas. Pero en el caso de los vehículos eléctricos, que requieren una gran capacidad energética y una larga vida útil, los científicos e investigadores de baterías todavía necesitan encontrar un equilibrio viable. Esto significa que probablemente aún falten algunos años para sentar las bases de la próxima generación de baterías de litio-azufre.
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