Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong ha desarrollado una nueva batería de litio-azufre de alta capacidad y larga vida útil gracias a la utilización de nanopartículas de boro en el cátodo. La creación de este sustrato evita los grandes cambios de volumen que se producen en los procesos de carga y descarga, aumentando la vida útil y permitiendo que se alcance una capacidad energética inicial de hasta 1.415 mAh/gramo.

La tecnología de las baterías de Li-S es una de las más prometedoras en la actualidad por sus ventajas técnicas, económicas y medioambientales. El uso del litio sólido combinado con un electrolito orgánico líquido implica varios problemas intrínsecos. Antes de su comercialización, hay varios problemas que deben abordarse, entre ellos el mayor de sus inconveniente: la mala conductividad del azufre.

El gran cambio de volumen que experimentan el azufre sólido es el causante de la inestabilidad de los ciclos de carga y descarga lo que pulveriza toda la arquitectura del cátodo. Esto trae también problemas de seguridad asociados con la alta inflamabilidad del electrolito orgánico líquido por el crecimiento de las dendritas en el ánodo de litio. Estas pequeñas estructuras rígidas que crecen en el interior de una batería de litio como agujas pueden llegar a perforar el separador que evita que los electrodos (cátodo y ánodo) se toquen acelerando los fallos de la batería y provocando incluso su incendio.

Además, estás baterías ofrecen una baja eficiencia culómbica (fracción de energía eléctrica que se puede generar) debido al efecto de desplazamiento causado por la disolución de Li-S en el electrolito orgánico líquido, lo que da como resultado una severa disminución de la capacidad. Además, la naturaleza aislante de azufre conduce a una baja utilización de materiales activos y una cinética de reacción deficiente.

En el caso de la batería creada por los investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, se ha empleado un cátodo formado por un sustrato bi-funcional de Li-S a base de nanopartículas de carburo de boro distribuidas y a las que se ha añadido fibra de algodón activada. Esta compleja estructura precisa de un método de fabricación especial asistido por catalizador.

Este sustrato tiene una superficie específica muy elevada (224,51 m²/g) en la que se distribuye una gran cantidad de mesoporos (poros con diámetros entre 2 y 50 nanómetros). Las partículas de boro sirven como un anclaje químico robusto para atrapar los polisulfuros, proporcionando un abundante campo activo para que se pongan en marcha las reacciones de conversión del azufre.

En un artículo publicado en el Journal of Power Sources, los investigadores informan que esta batería de Li-S es capaz de ofrecer una capacidad inicial de hasta 1.415 mAh/g. Permite que la batería realice 500 ciclos estables de carga y recarga manteniendo una capacidad de 988 mAh/g, cuatro veces mayor que la de una batería si boro en el sustrato del cátodo (192 mAh/g, después de 500 ciclos). Además, el equipo ha comprobado que la nueva batería podría funcionar de manera estable durante 3.000 ciclos con una alta eficiencia culómbica (99,24%) y una tasa de disminución de la capacidad de tan solo 0,012% por ciclo.

Resultados de la prueba de ciclo a largo plazo de la batería Li-S con electrodo de boro.

El futuro de las baterías de litio-azufre

Según los investigadores, una batería dotada de un cátodo de azufre con sustrato de boro tiene un gran potencial para pasar a la fase de implementación de sistemas de producción a gran escala y su uso en aplicaciones que precisan grandes capacidades energéticas y una gran durabilidad, como es el caso de la industria automotriz.

Las baterías Li-S son una de las apuestas de la industria por elevada densidad de energía teórica que puede alcanzar: hasta los 2.567 Wh/kg. Si se alcanzase el cien por cien, una batería de, por ejemplo, 100 kilogramos (un peso muy inferior a las actuales baterías de litio que pueden llegar al doble de esa cifra), podría ofrecer una capacidad energética de 256 kWh, triplicando la capacidad de las baterías de litio y por lo tanto su autonomía teórica. Sus potenciales propiedades se traducen también en ventajas en cuanto a la sostenibilidad medioambiental al ser el azufre un material muy abundante en la naturaleza y ambientalmente inocuo. Todo ello se traduce en una reducción de los costes de producción que podrían alcanzar hasta un 50%.