Baterías a base de azufre: una opción más ecológica y de mayor autonomía para autos eléctricos 

Imagínese un coche eléctrico capaz de recorrer 600, 700 o incluso 1,000 millas con una sola carga. Eso supera con creces la autonomía de los vehículos eléctricos con mayor alcance del mercado estadounidense, de acuerdo con la revista Car and Driver, y duplica la autonomía oficial del Tesla Model 3 de tracción trasera y largo alcance, que tiene una autonomía máxima homologada de 584 kilómetros.

Los vehículos eléctricos actuales utilizan baterías de iones de litio, presentes también en teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles e incluso en sistemas de almacenamiento de energía a gran escala conectados a la red eléctrica.

Estas baterías, un estándar durante décadas, han sido perfeccionadas por generaciones de científicos y ahora se encuentran cerca de sus límites físicos. Incluso con los mejores materiales y los diseños más optimizados, la cantidad de energía que se puede almacenar en una batería de iones de litio es limitada.

Soy ingeniero de materiales y estudio estas baterías en busca de alternativas con mejor rendimiento, mayor sostenibilidad ambiental y menor costo. Un diseño prometedor utiliza azufre, lo que podría aumentar significativamente la capacidad de la batería, aunque aún existen importantes obstáculos antes de que pueda generalizarse su uso.

Litio-azufre frente a iones de litio

Toda batería tiene tres componentes básicos: una región con carga positiva, llamada cátodo; una región con carga negativa, llamada ánodo; y una sustancia llamada electrolito en medio, a través de la 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 compuesto por un óxido metálico que suele contener metales como níquel, manganeso y cobalto unidos con oxígeno. Los materiales se disponen en capas, con iones de litio físicamente intercalados entre ellas. Durante la carga, los iones de litio se desprenden del material del cátodo y se desplazan a través del electrolito hasta el ánodo.

El ánodo suele ser de grafito, que también está formado por capas con espacio entre ellas para los iones de litio. Durante la descarga, los iones de litio abandonan las capas de grafito, viajan de regreso a través del electrolito y se reinsertan en la estructura laminar del cátodo, recombinándose con el óxido metálico para liberar la electricidad que alimenta automóviles y teléfonos inteligentes.

En una batería de litio-azufre, los iones de litio siguen moviéndose de un lado a otro, pero la química es diferente. Su cátodo está hecho de azufre incrustado en una matriz de carbono que conduce la electricidad, y el ánodo está compuesto principalmente de litio, en lugar de capas de grafito con litio entre ellas.

Durante la descarga, los iones de litio se desplazan 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 etapas secuenciales 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, teóricamente, 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 necesitan depender de metales escasos como el níquel y el cobalto, que están distribuidos de manera desigual en la Tierra y a menudo provienen de regiones como la República Democrática del Congo, donde las regulaciones de seguridad laboral y las prácticas laborales justas son limitadas.

Estas ventajas podrían dar lugar a baterías con mucha más capacidad, más baratas y más sostenibles de producir.

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¿Por qué no se utilizan de forma generalizada las baterías de litio-azufre?

El principal obstáculo para la producción y el uso masivos de baterías de azufre es su durabilidad. Una buena batería de iones de litio, como las de un vehículo eléctrico, puede soportar miles de ciclos de descarga y recarga antes de que su capacidad empiece a disminuir. Esto equivale a miles de viajes en coche.

Pero las baterías de litio-azufre tienden a perder capacidad mucho más rápidamente, a veces después de menos de 100 ciclos. Eso no representa muchos viajes.

La razón reside 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 ocurre, esas cantidades de azufre y litio dejan de utilizarse en las reacciones restantes. Este efecto, conocido como “transporte”, implica que con cada ciclo de descarga y recarga hay menos elementos disponibles para liberar y almacenar energía.

En las últimas dos décadas, la investigación ha dado como resultado diseños mejorados. Las versiones anteriores de estas baterías perdían gran parte de su capacidad tras unas pocas docenas de ciclos de descarga y recarga, e incluso los mejores prototipos de laboratorio tenían dificultades para superar unos pocos cientos.

Los nuevos prototipos conservan más del 80% de su capacidad inicial incluso después de miles de ciclos. Esta mejora se debe al rediseño de las partes clave de la batería y al ajuste de los componentes químicos: los electrolitos especiales ayudan a evitar que los sulfuros de litio se disuelvan y se desplacen.

Los electrodos también se mejoraron, utilizando materiales como el carbono poroso que atrapa físicamente los sulfuros de litio intermedios, impidiendo que se alejen del cátodo. Esto facilita las reacciones de descarga y recarga con menos pérdidas, haciéndolas más eficientes y prolongando la vida útil de la batería.

El camino por delante

Las baterías de litio-azufre ya no son frágiles curiosidades de laboratorio, pero aún existen importantes desafíos antes de que puedan convertirse en candidatas serias 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 la investigación continúa en 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 implicadas son más intensas con el aumento de energía.

Esta disyuntiva podría no representar un obstáculo importante para el uso de estas baterías en drones o en el almacenamiento de energía a nivel de red, donde las densidades energéticas ultra altas son menos críticas.

Sin embargo, para los vehículos eléctricos, que requieren tanto una alta capacidad energética como una larga vida útil, los científicos e investigadores de baterías aún deben encontrar un equilibrio viable. Esto significa que la base para la próxima generación de baterías de litio-azufre probablemente tardará algunos años en desarrollarse.

*Golareh Jalilvand es profesora asistente de Ingeniería Química en la Universidad de Carolina del Sur

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation

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Tomado de https://www.forbes.com.mx/