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Baterías de litio-azufre, el descubrimiento accidental que podría cambiar el mundo

Un descubrimiento afortunado que involucra baterías de litio-azufre tiene una oportunidad legítima de revolucionar la forma en que alimentamos nuestro mundo.

De vez en cuando, la tecnología revolucionaria parece surgir espontáneamente de la nada y cambiar nuestro mundo. La dinamita, la penicilina, las máquinas de rayos X e incluso los microondas son ejemplos de tales revolucionarios descubrimientos accidentales.





Bueno, en 2022 puede que hayamos tenido otro. Sin embargo, esta vez está configurado no solo para revolucionar la forma en que vivimos, sino también para salvar potencialmente a nuestro planeta del cambio climático que se avecina al desbloquear una tecnología difícil de alcanzar: las baterías de litio-azufre.

Durante décadas, hemos estado buscando la mejor tecnología para impulsar nuestro estilo de vida moderno y permitir tecnologías limpias, como los coches eléctricos. Desde principios de los años 90, la tecnología de batería preferida ha sido la de iones de litio.





Alimentan todo, desde teléfonos y Teslas hasta instalaciones de respaldo de la red de energía e incluso satélites. Pero a pesar de que nos han traído al siglo XXI, tienen algunas desventajas comprometedoras.

En primer lugar, los materiales que se necesitan para construirlas, como el cobalto, suelen ser muy perjudiciales para el medio ambiente. Destruyen vastos ecosistemas e incluso filtran sustancias químicas tóxicas. En la práctica minera, también existe una cuestión humanitaria, ya que algunas de las condiciones de trabajo de estas minas son mortales y utilizan mano de obra infantil.

Muestra de cobalto puro
Muestra de cobalto puro.




Por otra parte, está el problema del ciclo de vida. Exigimos tiempos de carga más rápidos de nuestros dispositivos. Esto se aplica a todo, desde teléfonos hasta coches. Pero las baterías de iones de litio pierden gradualmente su capacidad de mantener carga.

La degradación de la batería es una preocupación seria, particularmente para el mundo de los vehículos eléctricos. Los vehículos eléctricos de segunda mano pueden convertirse en un problema cuando su baterías ya no funcionan, lo que costará una pequeña fortuna reemplazarlas. En general, esto está ralentizando la adopción del vehículo eléctrico y también significa que los desechos electrónicos, que ya son un problema considerable, solo empeorarán.

También existe un problema de densidad. Los paquetes de iones de litio son relativamente densos en energía, pero siguen siendo bastante pesados, grandes y voluminosos. Esto  limita el alcance de los coches eléctricos porque las baterías son muy pesadas y hace que sean inviables para algunas aplicaciones, como aviones y barcos comerciales eléctricos.

Incluso hay un alto riesgo de incendio con las baterías de iones de litio, ya que una celda dañada puede incendiarse espontáneamente y arder intensamente. Basta con mirar lo que pasó con algunos de los teléfonos antiguos de Samsung (Note 7) y el coche eléctrico Rimac que chocó Richard Hammond, presentador de Top Gear.

Esta es la razón por la que los científicos de la Universidad de Drexel en Filadelfia, Pensilvania (Estados Unidos), estaban buscando un nuevo tipo de batería, conocido como litio-azufre.

Lyten
Lyten es uno de los pocos fabricantes de baterías de litio-azufre (Crédito: Lyten)

A simple vista, el litio-azufre parece resolver todos los problemas de los iones de litio. Utiliza materiales mucho menos dañinos para el medio ambiente, puede ser más barato de producir, puede ser hasta tres veces más denso en energía (lo que significa una batería más liviana) y es mucho menos probable que se incendie. Todo sin comprometer las velocidades de carga.

Entonces, ¿Por qué no tener ahora mismo baterías de litio-azufre?

Bueno, tienen un gran problema. Mientras que una batería de iones de litio se puede utilizar durante unos 2000 ciclos de carga, el litio-azufre normalmente se limita a alrededor de la mitad. Entonces, después de un año o dos de uso adecuado, una batería de litio-azufre queda prácticamente inservible.

Para resolver esto, el equipo de Drexel estaba probando nuevos enfoques para el litio-azufre, cambiando los compuestos en el cátodo de la batería.

Su objetivo era ralentizar la reacción química que crea polisulfuros cuando la batería se carga y descarga. Estos cristales eliminan eficazmente el azufre del electrodo y, en última instancia, provocan una pérdida masiva de capacidad.

Disminuir su velocidad podría hacer que estas baterías muy densas en energía duren más.

azufre
Cristales de azufre en la matriz (4,8 × 3,5 × 3 cm). Encontrado en la mina El Desierto, San Pablo de Napa, Provincia Daniel Campos, Potosí, Bolivia

Pero lo que encontraron en cambio fue algo increíble: ¡una fase química de azufre que básicamente detiene la degradación de la batería!

Estaban tan conmocionados por este descubrimiento que tuvieron que revisar 100 veces para asegurarse de que no lo estaban leyendo mal.

Esta fase química se conoce como azufre monoclínico en fase gamma, pero solo se había observado en el laboratorio a altas temperaturas, más de 95 °C (203 °F). Esta es la primera vez que se ve a temperatura ambiente.

En la batería, esta fase detiene por completo la reacción que crea los polisulfuros. Esto fue tan efectivo que los científicos sometieron la batería a 4.000 ciclos de carga sin que se perdiera la capacidad, lo que significa que dura al menos el doble que la batería de iones de litio.

El azufre monoclínico gamma se deposita en la superficie externa de las nanofibras de carbono. Las bolas amarillas significan azufre monoclínico gamma depositado en la superficie; las bolas rojas significan sulfuro de litio, el producto formado después de la reducción de azufre. (Crédito : Rahul Pai et al., Communications Chemistry, 2022)

¡También merece la pena señalar que su batería era tres veces más densa en energía que la de iones de litio y podía cargarse muy rápido!

Afirmar que este es un descubrimiento notable es quedarse corto. Esta nueva fase de azufre también tiene otros beneficios, como reducir la expansión de la batería y aumentar los márgenes de seguridad. En otras palabras, esta batería tiene todas las características de la última batería del mercado masivo, y estos científicos la encontraron puramente por accidente.

Al igual que con la mayoría de los descubrimientos accidentales, los científicos aún no han descubierto qué está sucediendo realmente. Todavía no saben por qué se crea esta fase de azufre o cómo garantizar que se mantenga así. Por lo tanto, se necesita más investigación para responder a estas preguntas a fin de desarrollar una batería confiable que pueda usarse en miles de millones de ordenadores, coches eléctricos y similares.

¡Pero valdrá la pena la espera ya que estas baterías pesarán un tercio de las baterías de iones de litio equivalentes y tendrán el doble de vida útil!

Eso significa que los vehículos eléctricos mucho más rápidos y eficientes con alcances de miles de kilómetros serán comercialmente viables a un costo similar al de los vehículos eléctricos actuales. Además, en realidad seguirían siendo útiles dentro de 10 años, reduciendo drásticamente el desperdicio y aumentando la tasa de adopción de vehículos eléctricos.

Además, los vuelos de corta distancia, los buques de carga y los transbordadores de pasajeros contarán con una tecnología que les permitirá volverse completamente eléctricos. El ahorro de peso, la larga vida útil y el precio competitivo significarán que estos sectores finalmente podrán alcanzar sus objetivos de bajas emisiones de carbono.

En resumen, las baterías de litio-azufre podrían permitir que una gran variedad de actividades se vuelvan eléctricas, haciendo que las emisiones netas cero sean mucho más factibles.

Increíblemente, esto se pone aún mejor.

depósitos de azufre
Los depósitos de azufre tiñen de amarillo las aguas termales de la piscina Morning Glory Pool de Yellowstone. (Crédito: Lukas Kloeppel / Pexel)

El litio, el azufre y otros materiales que componen esta nueva batería abundan por toda la Tierra. Esto significa que podemos minimizar drásticamente el impacto ecológico de la minería, así como garantizar una cadena de suministro más sólida.

Pero ese no es el final de este descubrimiento. El equipo de Drexel ya está estudiando la posibilidad de utilizar este avance para fabricar baterías de azufre y sodio. Al eliminar la necesidad de litio, pueden hacer que las baterías sean aún más ecológicas y eliminar un  cuello de botella masivo en la cadena de suministro, asegurando que la adopción de vehículos eléctricos pueda continuar a las velocidades vertiginosas que los fabricantes esperan.

Este descubrimiento accidental en Drexel está destinado a revolucionar el uso de energía del mundo y ayudar a la humanidad a hacer la transición hacia una sociedad más limpia y neutral en carbono. Esperemos que el equipo de Drexel pueda sacar esta tecnología del laboratorio y ponerla en nuestras manos muy pronto.

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