Un equipo de investigadores de la Universidad de Manchester ha desarrollado un cátodo de grafeno combinado con azufre y nitrógeno que, incluido en una batería de litio-azufre (Li-S), es capaz de alcanzar 500 ciclos de carga y descarga sin perder capacidad energética. Con la nueva técnica de impresión, mediante láser ultravioleta pulsado, es posible emplear grafeno en el cátodo de las baterías de los coches eléctricos en sustitución del óxido de litio-cobalto. Así se elimina la inestabilidad de las baterías Li-S elevando su capacidad específica y por lo tanto la autonomía del vehículo eléctrico en el que se implante.

El grafeno es un material con unas propiedades que lo hacen único. Tiene el espesor de un átomo, es flexible, transparente, termoconductor, 200 veces más resistente que el acero y duro como el diamante. A cambio de estas ventajas, el “material de dios”, es difícil de obtener. Es un material que no se encuentra como tal en la naturaleza, sino que es necesario un proceso previo para generarlo, por lo que económicamente no es viable para muchas aplicaciones. Para poder utilizarlo de forma masiva es necesario industrializar su producción. La dificultad está en obtenerlo de forma pura para que cuente con las propiedades que lo caracterizan.

Las baterías de litio-azufre son una posible alternativa a las actuales de iones de litio gracias a su alta densidad energética. Tienen una capacidad teórica específica muy alta, 1.675 mAh/g, y una densidad de energía teórica de 2.600 Wh/kg. Además, el azufre es muy abundante en la naturaleza y es ambientalmente inocuo. Lograr una alta densidad de energía volumétrica en una batería de Li-S es uno de los principales desafíos actuales.

En diversos estudios e investigaciones experimentales se ha buscado lograr el objetivo de alcanzar entre 550 y 600 Wh/kg de capacidad, que es tan solo un 20% de la capacidad teórica total del azufre. Sin embargo, su uso práctico se ve obstaculizado por la mala conductividad del azufre, su disolución de los polisulfuros de litio y una lenta cinética rédox para la transferencia de electrones entre los electrodos, lo que se traduce en una baja estabilidad de los ciclos de carga y descarga.

El factor clave del efecto “lanzadera” en la reacción electroquímica en el cátodo de azufre es el polisulfuro de litio soluble que induce esta baja estabilidad del ciclado y la pérdida de azufre cuando viaja por el electrolito. Un equipo de la Universidad de Manchester (Reino Unido) publica en la revista Nature Chemical Communications Chemistry, el proceso de desarrollo de un cátodo de grafeno para una batería de Li-S que mantiene la capacidad energética al 100% tras 500 ciclos de carga y descarga a tasas 0.5 C, 1 C, 2 C y 3 C.

Mapeo del espectro del grafeno poroso dopado con nanopartículas de sulfuro de molibdeno MoS2.

El equipo muestra una técnica de “escritura directa”, mediante láser ultravioleta pulsado, capaz de formar electrodos de grafeno dopado con azufre (S) y nitrógeno (N) con varias cargas de nanopartículas, como plata, platino, silicio y sulfuro de molibdeno a partir de una tinta orgánica especialmente formulada con varias micropartículas. Se trata de una técnica de fabricación que implica un proceso de un solo paso que no precisa el aglutinante para formar el colector de corriente necesario para los cátodos de las baterías de azufre de litio.

El resultado es una estructura de grafeno porosa en la que se suprime la disolución de los polisulfuros de litio en el electrolito. El grafeno dopado con N/S inducido por láser logra reducir la resistencia a los electrolitos, la resistencia al contacto entre fases y la resistencia a la transferencia de carga, lo que acelera la salida de los electrones y el transporte de los iones de litio.