La creciente demanda de vehículos eléctricos (EV) en Estados Unidos ha resaltado el gran desafío de obtener de manera sostenible la tecnología de baterías necesaria para la amplia transición hacia la energía renovable y lejos de los combustibles fósiles. Con la esperanza de crear baterías que no solo funcionen mejor que las que se usan actualmente en los vehículos eléctricos, sino que también estén hechas de materiales fácilmente disponibles, un grupo de ingenieros químicos de la Universidad de Drexel ha encontrado una manera de introducir azufre en las baterías de iones de litio, con resultados asombrosos. .

A medida que las ventas mundiales de vehículos eléctricos se duplicaron con creces en 2021, los materiales para baterías como el litio, el níquel, el manganeso y el cobalto se dispararon en precio y las cadenas de suministro de estos productos básicos, la mayoría de los cuales provienen de otros países, se vieron limitadas por la pandemia. Esto también llamó la atención sobre los principales proveedores de las materias primas: países como Congo y China; y planteó preguntas sobre los impactos humanos y ambientales cuando se extrae de la tierra.

Mucho antes del auge de los vehículos eléctricos y la escasez de baterías, el desarrollo de una batería de azufre comercialmente viable era la ballena blanca sostenible y de alto rendimiento de la industria de las baterías. Esto se debe a la abundancia natural y la estructura química del azufre, lo que le permitiría almacenar más energía. Un avance publicado recientemente en la revista por investigadores de la Facultad de Ingeniería de Drexel química de la comunicación, ofrece una forma de sortear los obstáculos que históricamente han amortiguado las baterías de Li-S y finalmente pone la codiciada tecnología al alcance comercial.

Su descubrimiento es una nueva forma de producir y estabilizar una forma rara de azufre que funciona en electrolitos de carbonato, el líquido portador de energía que se usa en las baterías comerciales de iones de litio. Este desarrollo no solo haría que las baterías de azufre fueran comercialmente viables, sino que también tendrían tres veces la capacidad de las baterías de iones de litio y una vida útil de más de 4.000 cargas, el equivalente a 10 años de uso, lo que también es una mejora significativa.

“El azufre ha sido muy deseable para su uso en baterías durante varios años porque es abundante en la tierra y se puede recolectar de una manera segura y respetuosa con el medio ambiente, y como ahora hemos demostrado, también tiene el potencial de mejorar el rendimiento de las baterías. en vehículos eléctricos y dispositivos móviles de una manera económicamente viable”, dijo Vibha Kalra de Drexel, PhD, profesora titular de la cátedra George B. Francis en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la universidad, quien dirigió la investigación.

El desafío de introducir azufre en una batería de litio con un electrolito de carbonato comercialmente viable fue una reacción química irreversible entre los intermedios de azufre, llamados polisulfuros, y el electrolito de carbonato. Debido a esta reacción adversa, los intentos anteriores de usar un cátodo de azufre en una batería con una solución de electrolito de carbonato dieron como resultado un apagado casi instantáneo y una falla completa de la batería después de solo un ciclo.

Las baterías de Li-S ya han demostrado un rendimiento excepcional en entornos experimentales utilizando un electrolito de éter, en lugar de carbonato, ya que el éter no reacciona con los polisulfuros. Sin embargo, estas baterías no serían comercialmente viables porque el electrolito de éter es muy volátil y contiene componentes con un punto de ebullición de solo 42 grados centígrados, lo que significa que cualquier calentamiento de la batería por encima de la temperatura ambiente podría provocar una falla o una fusión.

«Durante la última década, la mayoría de los campos de Li-S han adoptado electrolitos etéreos para evitar las reacciones adversas con el carbonato», dijo Kalra. “Luego, a lo largo de los años, los investigadores se sumergieron profundamente en la mejora del rendimiento de las baterías de azufre a base de éter al mitigar lo que se conoce como transporte/difusión de polisulfuro, pero el campo pasó por alto por completo el hecho de que el electrolito de éter en sí mismo es un problema. En nuestro trabajo, el objetivo principal era reemplazar el éter con carbonato, pero al hacerlo también eliminamos los polisulfuros, lo que también significaba que no había ciclos, lo que permitía que la batería funcionara excepcionalmente bien durante miles de ciclos”.

La investigación anterior del equipo de Kalra también abordó el problema de esta manera: creó un cátodo de nanofibras de carbono que ralentizó el efecto de lanzadera en las baterías de Li-S basadas en éter al restringir el movimiento de los intermedios de polisulfuro. Pero para mejorar la ruta comercial de los cátodos, el grupo reconoció que tenían que trabajar con un electrolito comercialmente viable.

Los investigadores informaron sobre una forma de estabilizar una forma rara de azufre en un cátodo que le permitiría funcionar en el electrolito de carbonato utilizado en las baterías comerciales de iones de litio. Hasta la fecha, el azufre se ha encontrado con una reacción de degradación del rendimiento con el electrolito, lo que ha limitado su viabilidad comercial. La inclusión de azufre en las baterías podría aumentar su capacidad, prolongar su vida útil y proporcionar una alternativa sostenible a los materiales catódicos actuales, como el cobalto, el níquel y el manganeso.

«Tener un cátodo que funcione con el electrolito de carbonato que ya está en uso es el camino de menor resistencia para los fabricantes comerciales», dijo Kalra. «En lugar de presionar para que la industria adopte un nuevo electrolito, nuestro objetivo era crear un cátodo que pudiera funcionar en el sistema de electrolito de iones de litio preexistente».

Con la esperanza de eliminar la formación de polisulfuros para evitar las reacciones adversas, el equipo intentó atrapar el azufre en el sustrato del cátodo de nanofibras de carbono mediante una técnica de deposición de vapor. Aunque este método no pudo incrustar el azufre en la malla de nanofibras, hizo algo extraordinario, que se hizo evidente cuando el equipo comenzó a probar el cátodo.

“Cuando comenzamos las pruebas todo salió muy bien, algo que no esperábamos. De hecho, lo probamos una y otra vez, más de 100 veces, para asegurarnos de que realmente estábamos viendo lo que pensábamos que estábamos viendo», dijo Kalra. «El cátodo de azufre, que sospechábamos que detendría la reacción, en realidad funcionó sorprendentemente bien, una y otra vez, sin provocar la caza».

Tras una investigación más profunda, el equipo descubrió que durante el proceso de depósito de azufre en la superficie de la nanofibra de carbono, convirtiéndola de un gas a un sólido, cristalizó inesperadamente, formando una ligera variación del elemento llamado azufre monoclínico de fase gamma. Esta fase química de azufre, que no reacciona con el electrolito de carbonato, solo se ha producido a altas temperaturas en laboratorios y solo se ha observado en la naturaleza en el ambiente extremo de los pozos de petróleo.

«Al principio, era difícil creer que descubrimos esto, porque en todas las investigaciones anteriores, el azufre monoclínico era inestable por debajo de los 95 grados centígrados», dijo Rahul Pai, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica y coautor del estudio. investigación. «En el siglo pasado, solo hubo un puñado de estudios que produjeron azufre gamma monoclínico, y se mantuvo estable durante 20 a 30 minutos como máximo. Pero lo habíamos hecho en un cátodo que pasó por miles de ciclos de carga y descarga sin disminuir el rendimiento, y un año después, nuestra investigación muestra que la fase química se ha mantenido igual”.

Después de más de un año de pruebas, el cátodo de azufre se mantiene estable y, según informó el equipo, su rendimiento no se ha degradado después de 4000 ciclos de carga y descarga, lo que equivale a 10 años de uso regular. Y como se predijo, la capacidad de la batería es más de tres veces mayor que la de una batería de iones de litio.

«Si bien todavía estamos trabajando para comprender el mecanismo preciso detrás de la formación de este azufre monoclínico estable a temperatura ambiente, este sigue siendo un descubrimiento emocionante y podría abrir una serie de puertas para el desarrollo de tecnología de batería más sostenible y asequible», dijo. Kalra.

Reemplazar el cátodo en las baterías de iones de litio con un cátodo de azufre reduciría la necesidad de obtener cobalto, níquel y manganeso. Los suministros de estas materias primas son finitos y no se pueden extraer fácilmente sin causar riesgos para la salud y el medio ambiente. El azufre, por otro lado, se encuentra en todo el mundo y se encuentra en grandes cantidades en los Estados Unidos porque es un subproducto de la exploración de petróleo.

Kalra sugiere que un cátodo de azufre estable que funcione en el electrolito de carbonato también permitirá a los investigadores avanzar en el estudio de sustitutos del ánodo de litio, que en la Tierra podría incluir opciones más abundantes como el sodio.

“Cambiar nuestra dependencia del litio y otros materiales que son costosos y difíciles de extraer de la tierra es un paso fundamental para desarrollar baterías y expandir nuestra capacidad para aprovechar las fuentes de energía renovable”, dijo Kalra. «El desarrollo de una batería Li-S viable abre una serie de vías para reemplazar estos materiales».

Junto a Kalra y Pai, Maureen Tang, PhD, Profesora Asociada; y Arvinder Singh, PhD, investigador postdoctoral; todos en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Facultad de Ingeniería de Drexel, contribuyeron a esta investigación. Fue apoyado por el Drexel Ventures Innovation Fund y la National Science Foundation.

Lea el documento completo aquí: https://www.nature.com/articles/s42004-022-00626-2

Cortesía de drexel ahora.


 

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