LA VOZ DE GOICOECHEA (Por Gonzalo García).- Un equipo de investigadores de la Universidad de San Diego ha creado una batería de litio-azufre de alta densidad de energía, basada en un novedoso electrolito líquido, que le permite rendir en condiciones de muy baja temperatura y con calor extremo.
Con el nuevo electrolito creado por los investigadores de San Diego, la batería de litio-azufre mantiene sus especificaciones en condiciones de frío intenso y también a altas temperaturas.
Si bien las baterías a base de litio se han convertido en un estándar tanto para los vehículos eléctricos como para los dispositivos móviles, su rendimiento está muy limitado por las condiciones ambientales. El electrolito líquido creado por los investigadores de la Universidad de San Diego para una batería de litio y azufre de alta densidad de energía permite que ofrezca un alto rendimiento a temperaturas extremas. La batería mantiene sus especificaciones en condiciones de frío intenso y también a altas temperaturas.
El rendimiento de la batería depende de que se mantenga en un rango de temperaturas óptimo, evitando que se caliente demasiado cuando está alimentando el sistema de tracción o cuando se está recargando, sobre todo en estaciones de recarga rápida. También afectan las condiciones ambientales que la rodean, y que no se limita a las altas temperaturas, también el frío afecta a su rendimiento, sobre todo a la capacidad de recarga. Esta limitación se convierte en una complicación porque compromete su viabilidad operativa a largo plazo.
El dilema de las temperaturas críticas
Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego), han desarrollado una batería de litio-azufre que funciona bien a temperaturas extremas en ambos lados del espectro, es decir, frío o calor, ofreciendo en todos los casos una alta densidad de energía. Según los investigadores, gracias a este trabajo, es posible alcanzar mayores autonomías para los vehículos eléctricos independientemente del clima en el que se conduzcan. Otra ventaja es que los fabricantes pueden reducir sus costes de fabricación ya que es posible eliminar la necesidad de implementar sistemas de enfriamiento que evitan que las baterías se sobrecalienten en lugares donde hace mucho calor. Este ahorro de costes se podría ver repercutido directamente en el precio de venta final de los vehículos, lo que favorece también a los consumidores.
Debido a que los paquetes de baterías de los coches eléctricos generalmente se encuentran debajo del piso del vehículo, están expuestos al calor del pavimento, lo que requiere la necesidad de un "funcionamiento a alta temperatura en áreas donde la temperatura ambiente puede alcanzar los tres dígitos", explica en el comunicado de prensa Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la UC San Diego Jacobs School of Engineering y director del estudio. Chen aclara además que las baterías se calientan solo con el paso de la corriente durante el funcionamiento. “Si las baterías no pueden tolerar este calentamiento a alta temperatura, su rendimiento se degradará rápidamente”.
La clave del diseño es un novedoso electrolito desarrollado por el equipo de Chen que puede funcionar de manera óptima en un amplio rango de temperaturas. También es compatible con un ánodo y un cátodo de alta energía lo que facilita el desarrollo de una batería prototipo completa. El electrolito se compone de una solución líquida de éter dibutílico mezclado con una sal de litio. “Es la parte líquida del material lo que le da su capacidad para operar a temperaturas extremas”.
Si bien las baterías a base de litio se han convertido en un estándar tanto para los vehículos eléctricos como para los dispositivos móviles, su rendimiento está muy limitado por las condiciones ambientales. El electrolito líquido creado por los investigadores de la Universidad de San Diego para una batería de litio y azufre de alta densidad de energía permite que ofrezca un alto rendimiento a temperaturas extremas. La batería mantiene sus especificaciones en condiciones de frío intenso y también a altas temperaturas.
El rendimiento de la batería depende de que se mantenga en un rango de temperaturas óptimo, evitando que se caliente demasiado cuando está alimentando el sistema de tracción o cuando se está recargando, sobre todo en estaciones de recarga rápida. También afectan las condiciones ambientales que la rodean, y que no se limita a las altas temperaturas, también el frío afecta a su rendimiento, sobre todo a la capacidad de recarga. Esta limitación se convierte en una complicación porque compromete su viabilidad operativa a largo plazo.
El dilema de las temperaturas críticas
Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego), han desarrollado una batería de litio-azufre que funciona bien a temperaturas extremas en ambos lados del espectro, es decir, frío o calor, ofreciendo en todos los casos una alta densidad de energía. Según los investigadores, gracias a este trabajo, es posible alcanzar mayores autonomías para los vehículos eléctricos independientemente del clima en el que se conduzcan. Otra ventaja es que los fabricantes pueden reducir sus costes de fabricación ya que es posible eliminar la necesidad de implementar sistemas de enfriamiento que evitan que las baterías se sobrecalienten en lugares donde hace mucho calor. Este ahorro de costes se podría ver repercutido directamente en el precio de venta final de los vehículos, lo que favorece también a los consumidores.
Debido a que los paquetes de baterías de los coches eléctricos generalmente se encuentran debajo del piso del vehículo, están expuestos al calor del pavimento, lo que requiere la necesidad de un "funcionamiento a alta temperatura en áreas donde la temperatura ambiente puede alcanzar los tres dígitos", explica en el comunicado de prensa Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la UC San Diego Jacobs School of Engineering y director del estudio. Chen aclara además que las baterías se calientan solo con el paso de la corriente durante el funcionamiento. “Si las baterías no pueden tolerar este calentamiento a alta temperatura, su rendimiento se degradará rápidamente”.
La clave del diseño es un novedoso electrolito desarrollado por el equipo de Chen que puede funcionar de manera óptima en un amplio rango de temperaturas. También es compatible con un ánodo y un cátodo de alta energía lo que facilita el desarrollo de una batería prototipo completa. El electrolito se compone de una solución líquida de éter dibutílico mezclado con una sal de litio. “Es la parte líquida del material lo que le da su capacidad para operar a temperaturas extremas”.
El nuevo electrolito facilita el desarrollo de baterías de litio-azufre para que funcionen bien en ambos extremos del espectro de temperaturas
La investigación ha sido publicada en un artículo de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). El dibutil éter tiene la particularidad de que sus moléculas se unen débilmente a los iones de litio. Esto significa que las moléculas de electrolito pueden liberar fácilmente iones de litio mientras la batería está en funcionamiento. Esta interacción molecular débil, descubierta en investigaciones anteriores, puede mejorar el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero. Este electrolito también funciona bien en el extremo superior del espectro de temperatura porque permanece líquido a altas temperaturas ya que tiene un punto de ebullición de 141 ºC,
Si bien su capacidad para operar a temperaturas extremas es una característica muy importante, este electrolito no sería útil si no fuera compatible con una batería de litio-azufre. De hecho, según indican los investigadores, parece prevenir algunas de las reacciones clave dentro de una batería de este tipo que han impedido su viabilidad a largo plazo para vehículos eléctricos y otras aplicaciones.
Ventajas e inconvenientes de las baterías de litio-azufre
Las baterías de litio-azufre están compuestas por un ánodo de litio metálico y un cátodo a base de azufre. Los científicos creen que podrían ser el diseño químico de las baterías dominantes en el futuro ya que pueden almacenar hasta dos veces más energía por kilogramo que los diseños actuales basados en iones de litio. En el caso de los vehículos eléctricos esto se traduce en duplicar la autonomía sin que el paquete de baterías sea más pesado.
Esta tecnología también promete costes de fabricación más bajos, especialmente porque utilizan en su núcleo silicio, un material abundante en la tierra, en lugar de litio que es escaso y para el que en algunas ocasiones se utilizan procedimientos poco éticos para su obtención.
Por otra parte, las baterías de litio-azufre también tienen sus inconvenientes. Tanto el cátodo como el ánodo muestran problemas de rendimiento inherentes que han impedido que los dispositivos anteriores duren más allá de la decena de ciclos de carga y descarga. Los cátodos de azufre tienden a disolverse durante el funcionamiento de la batería, un escenario que empeora a altas temperaturas. Además, los ánodos de metal de litio son propensos a la formación de dendritas que pueden perforar otras partes de la batería y provocar cortocircuitos que tienen como consecuencia un fallo catastrófico.
Este conjunto de ventajas e inconvenientes hace que desarrollar una batería de litio-azufre viable que pueda operar a una alta densidad de energía, un requisito para los vehículos eléctricos sea una tarea compleja y abrumadora. Una labor que se vuelve aún más complicada cuando tiene que funcionar en un amplio rango de temperatura, explica Chen. “Si desea una batería con alta densidad de energía, generalmente necesita usar una química muy dura y complicada: alta energía significa que están ocurriendo más reacciones, lo que significa menos estabilidad y más degradación”.
La investigación ha sido publicada en un artículo de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). El dibutil éter tiene la particularidad de que sus moléculas se unen débilmente a los iones de litio. Esto significa que las moléculas de electrolito pueden liberar fácilmente iones de litio mientras la batería está en funcionamiento. Esta interacción molecular débil, descubierta en investigaciones anteriores, puede mejorar el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero. Este electrolito también funciona bien en el extremo superior del espectro de temperatura porque permanece líquido a altas temperaturas ya que tiene un punto de ebullición de 141 ºC,
Si bien su capacidad para operar a temperaturas extremas es una característica muy importante, este electrolito no sería útil si no fuera compatible con una batería de litio-azufre. De hecho, según indican los investigadores, parece prevenir algunas de las reacciones clave dentro de una batería de este tipo que han impedido su viabilidad a largo plazo para vehículos eléctricos y otras aplicaciones.
Ventajas e inconvenientes de las baterías de litio-azufre
Las baterías de litio-azufre están compuestas por un ánodo de litio metálico y un cátodo a base de azufre. Los científicos creen que podrían ser el diseño químico de las baterías dominantes en el futuro ya que pueden almacenar hasta dos veces más energía por kilogramo que los diseños actuales basados en iones de litio. En el caso de los vehículos eléctricos esto se traduce en duplicar la autonomía sin que el paquete de baterías sea más pesado.
Esta tecnología también promete costes de fabricación más bajos, especialmente porque utilizan en su núcleo silicio, un material abundante en la tierra, en lugar de litio que es escaso y para el que en algunas ocasiones se utilizan procedimientos poco éticos para su obtención.
Por otra parte, las baterías de litio-azufre también tienen sus inconvenientes. Tanto el cátodo como el ánodo muestran problemas de rendimiento inherentes que han impedido que los dispositivos anteriores duren más allá de la decena de ciclos de carga y descarga. Los cátodos de azufre tienden a disolverse durante el funcionamiento de la batería, un escenario que empeora a altas temperaturas. Además, los ánodos de metal de litio son propensos a la formación de dendritas que pueden perforar otras partes de la batería y provocar cortocircuitos que tienen como consecuencia un fallo catastrófico.
Este conjunto de ventajas e inconvenientes hace que desarrollar una batería de litio-azufre viable que pueda operar a una alta densidad de energía, un requisito para los vehículos eléctricos sea una tarea compleja y abrumadora. Una labor que se vuelve aún más complicada cuando tiene que funcionar en un amplio rango de temperatura, explica Chen. “Si desea una batería con alta densidad de energía, generalmente necesita usar una química muy dura y complicada: alta energía significa que están ocurriendo más reacciones, lo que significa menos estabilidad y más degradación”.
Los investigadores de San Diego probaron el alto rendimiento de las celdas de la batería en un horno calentado a 50 ºC.
El electrolito mágico
El electrolito de dibutil éter desarrollado por el equipo de UC San Diego evita estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas, según describen los investigadores. El equipo diseñó también el cátodo de azufre injertándolo en un polímero, para que sea más estable, lo que evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
El resultado es un dispositivo que, en pruebas de laboratorio, puede soportar más ciclos de carga y descarga que una batería de litio-azufre convencional. Específicamente, las baterías prototipo retuvieron el 87,5 % y el 115,9 % de su capacidad de energía a -40 ºC y 50 ºC respectivamente. También mostraron alta eficiencia coulómbica (proporción entre la energía consumida durante la recarga y la energía real que contiene la batería que puede ser suministrada al vehículo eléctrico) llegando al 98,2 % y 98,7 % en cada nivel de temperatura. Este significa que las baterías pueden pasar por más ciclos de carga y descarga antes de que dejen de funcionar.
“Nuestro electrolito ayuda a mejorar tanto el lado del cátodo como el del ánodo al tiempo que proporciona una alta conductividad y estabilidad interfacial”, termina diciendo Chen. El equipo continuará sus trabajos para lograr el escalado de la batería para su empleo en vehículos eléctricos reales. Su intención es optimizarlo para que funcione a temperaturas todavía más altas en ambos extremos de la escala y extender aún más su ciclo de vida.
El electrolito mágico
El electrolito de dibutil éter desarrollado por el equipo de UC San Diego evita estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas, según describen los investigadores. El equipo diseñó también el cátodo de azufre injertándolo en un polímero, para que sea más estable, lo que evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
El resultado es un dispositivo que, en pruebas de laboratorio, puede soportar más ciclos de carga y descarga que una batería de litio-azufre convencional. Específicamente, las baterías prototipo retuvieron el 87,5 % y el 115,9 % de su capacidad de energía a -40 ºC y 50 ºC respectivamente. También mostraron alta eficiencia coulómbica (proporción entre la energía consumida durante la recarga y la energía real que contiene la batería que puede ser suministrada al vehículo eléctrico) llegando al 98,2 % y 98,7 % en cada nivel de temperatura. Este significa que las baterías pueden pasar por más ciclos de carga y descarga antes de que dejen de funcionar.
“Nuestro electrolito ayuda a mejorar tanto el lado del cátodo como el del ánodo al tiempo que proporciona una alta conductividad y estabilidad interfacial”, termina diciendo Chen. El equipo continuará sus trabajos para lograr el escalado de la batería para su empleo en vehículos eléctricos reales. Su intención es optimizarlo para que funcione a temperaturas todavía más altas en ambos extremos de la escala y extender aún más su ciclo de vida.
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