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El azufre y la nanotecnología podrían ser la próxima revolución de las baterías

El azufre y la nanotecnología podrían ser la próxima revolución de las baterías

Hoy en día, debido al aumento del uso de bicis eléctricas, smartphones, dispositivos móviles, etc. se hace imprescindible la continua mejora en las capacidades de las baterías. Es por ello que un grupo de científicos de la Universidad de Waterloo e investigadores de BASF se han puesto manos a la obra. Ellos podrían haber resuelto los problemas mediante el uso de baterías de litio-azufre (Li-S) modificadas nanotecnológicamente, una de las alternativas más prometedoras a las tradicionales baterías de ión-litio.

Batería Li-S tradicional

La batería Li-S tradicional es una batería recargable que destaca por su alta densidad de energía. En virtud del bajo peso atómico del litio y peso moderado de azufre, las baterías de Li-S son relativamente ligeras.

Las baterías de Li-S tradicional almacenan más electrones, y el azufre es abundante, ligero y económico, lo que podría convertirlo en un elemento clave para la siguiente generación de baterías. En cualquier caso,  existen algunos problemas que resolver. El electrodo que contiene azufre, a menudo queda empobrecido a los pocos ciclos de recarga, ya que se desintegra en el líquido del electrolito, en el que tanto el litio como el azufre están contenidos, y puede formar los llamados polisulfuros, disminuyendo la capacidad de carga.

Baterías Li-S nanotecnológicas

Para mejorar los problemas de las batería de Li-S, este grupo de científicos han desarrollado un tipo de nanopartículas de carbono, que usarán las moléculas de azufre para conseguir la mayor efectividad posible.

En los prototipos de baterías de Li-S nanotecnológicas, los iones litio, se intercambian entre electrodos de Litio y Azufre-Carbono nanoestructurado.

El azufre juega un papel fundamental en este sistema. Bajo circunstancias óptimas, puede absorber dos iones de litio por cada átomo de azufre.  Por lo tanto, se trata de un excelente almacenador de energía y que además presenta bajo peso.

Por contra, el azufre es un conductor bastante pobre. Es decir, los electrones se transportan con bastante dificultad en los procesos de carga y descarga. Para mejorar esto, han generado fases de azufre cuyo área interfacial sea la mayor posible para la transferencia de electrones. Esto lo consiguen mediante el acoplamiento con un material conductor nanoestructurado.

Se ha desarrollado una red de nanopartículas de carbono poroso, donde las nanopartículas poseen de 3 a 6 nm de anchura de poro. Esto permite que el azufre se distribuya de forma uniforme. De ésta forma la mayoría de átomos de azufre están disponibles para aceptar iones de litio. Al mismo tiempo están localizados cerca de un carbono conductor.

Mejoras que ofrecen estas baterías

En estos nuevos dispositivos, el azufre es muy accesible eléctricamente gracias a las nanopartículas de carbono altamente porosas. Por otro lado, también se estabiliza. De esta manera se puede llegar a una capacidad inicial de 1200mAh/g y poseer alta estabilidad cíclica.

La estabilidad del carbono también reduce el problema de los polisulfuros. Los polisulfuros forman productos intermedios en los procesos electroquímicos. Esto puede tener un impacto negativo en la carga y descarga de la batería. La red de carbono se encarga de estabilizar y unir los polisulfuros. A su vez se recubre el carbono con una capa delgada de óxido de silicio, de tal forma que se protege a los polisulfuros sin reducir la conductividad.

El material posee el mayor volumen de poros internos (2.32 cc/g) de todas las nanopartículas de carbono mesoporosas y una superficie muy grande de 2445 m2/g. Es como si tuviésemos un volumen de un terrón de azúcar y la superficie de diez canchas de tenis.

De este modo se podrían conseguir baterías eléctricas para coches que se pudieran recargar más de 2.000 veces. Hoy el ideal es de unas 1.500 veces.

De momento la nueva tecnología sigue en plena fase de estudio, y como explican sus creadores, las baterías de los coches que se ven en la actualidad se desarrollaron hace 15 años. Parece que tendremos que esperar algún tiempo a ver esta tecnología en funcionamiento.

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