En 2007, un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford, dirigidos por el profesor de ciencias de los materiales Yi Cui, desarrolló un electrodo hecho de nanocables de silicio y capaz de contener hasta 10 veces la carga de las baterías de litio-ion convencionales. Sin embargo para que el dispositivo alcanzase todo su potencial, los desarrolladores de baterías buscaron un cátodo correspondiente que pudiera almacenar electrones con densidades igualmente altas.
Ahora, el mismo equipo de Stanford cree haber encontrado su respuesta: una prueba de concepto de un cátodo de litio-sulfuro con 10 veces la densidad de energía de los cátodos de litio-ion convencionales. Juntos, el ánodo y el cátodo podrían crear una batería que durase hasta cuatro veces más y fuese significativamente más segura que las baterías de litio-ion existentes. La nueva batería no puede alcanzar una capacidad de almacenaje 10 veces mayor puesto que el nuevo cátodo tiene una conductividad significativamente más baja que los metales de litio utilizados en las baterías convencionales.
Sin embargo, y mediante el uso de litio sulfuro, una forma no metálica de litio, en vez de metal de litio, los investigadores han solucionado un problema de seguridad importante que hasta ahora había plagado a las baterías de litio-metal. Durante el uso normal de la batería, el litio-metal puede desarrollar estructuras parecidas a ramas y capaces de penetrar la fina capa de polímero que separa los dos electrodos de la batería. Cuando esto ocurre, se puede provocar un cortocircuito en la batería, y puede acabar explotando. Con el litio sulfuro, esta ramificación no ocurre.
Para fabricar el cátodo de litio-sulfuro, los investigadores comenzaron con un novedoso cátodo con nanoestructura de carbono-azúfre recientemente desarrollado por un equipo de investigadores de la Universidad Waterloo en Ontario. Después calentaron la estructura de carbono azufre en presencia de litio n-butyl dentro de una cámara sellada y llena de gas argón para formar el cátodo de litio sulfuro. Otros equipos ya han utilizado cátodos de litio sulfuro en el pasado, pero han experimentado graves problemas con la conductividad del material. Dichos problemas han sido en gran medida solucionados con el nuevo diseño de nanoestructura.
Al combinar el nuevo cátodo con el ánodo de silicio previamente desarrollado, el equipo logró crear una batería con una descarga inicial de 630 vatios-hora por kilogramo de ingredientes activos. Esto representa aproximadamente un incremento del 80 por ciento en la densidad de energía sobre las baterías de litio-ion comercialmente disponibles, según informa Cui desde Stanford, coautor de un estudio en el que se describe el trabajo y publicado el mes pasado en Nano Letters. Una serie de incrementos adicionales en la densidad de energía—hasta cuatro veces la cantidad de las baterías de litio-ion—son posibles en teoría mediante la optimización de los electrodos de la batería, señala Cui.
La nueva batería aún posee una serie de problemas significativos, particularmente en cuanto a la capacidad de mantenimiento. Después de sólo cinco ciclos de descarga y carga, las células perdieron un tercio de su capacidad de almacenaje de energía inicial, y dejaron de funcionar después de 40 ó 50 ciclos. La pérdida se debe probablemente a una serie de polisulfuros, unos componentes químicos que se forman durante las descargas y las cargas normales. Si se les permite que se disuelvan en el electrolito líquido de la batería, los polisulfuros pueden envenenar la batería mediante el bloqueo de las descargas y cargas futuras. “Esto es un problema enorme,” afirma Cui. “Estamos realizando grandes progresos, pero verdaderamente aún no hemos llegado a ese punto con la tecnología actual en cuanto al ciclo de vida.”
Los polisulfuros se forman en el cátodo cuando los iones de litio se vinculan con el azufre. El cátodo de azufre que usaron los investigadores de Stanford como punto de arranque para su cátodo fue diseñado para atrapar los polisulfuros en su superficie, evitando que se disuelvan en el electrolito de la batería. Una serie de pruebas con el cátodo en su forma inicial muestras una reducción significativamente menor en cuanto a capacidad, lo que sugiere que las modificaciones posteriores realizadas por el equipo de Stanford podrían haber disminuido la capacidad del cátodo para atrapar polisulfuros.
Para ser competitivos con las baterías de litio-ion, las baterías desarrolladas en Stanford tendrían que operar durante 300 o 500 ciclos de carga para las aplicaciones de electrónica de consumo, y hasta 1.000 ciclos de carga para su uso en vehículos, afirma Cui.
Cui no desveló lo que su grupo está realizando para reducir las pérdidas en cuanto a capacidad, pero existen dos métodos probables. El primero consiste en colocar aditivos en el electrolito líquido de la batería que protejan a ambos electrodos contra los efectos negativos de los polisulfuros. John Affinito, director técnico de Sion Power Corporation, un desarrollador líder de baterías de litio azufre, afirma que su compañía ha alcanzado una reducción de hasta 200 veces en las cuotas de auto-descarga (la descarga que se produce cuando las baterías no están siendo utilizadas) debidas a los polisulfuros, gracias al uso de aditivos en el electrolito. Los cambios en el electrolito deben hacerse con cuidado, puesto que pueden afectar a la conductividad de electrones y a la formación de vínculos de litio-ion en ambos electrodos.
Otra opción consiste en colocar un polímero o membrana de cerámica entre los dos electrodos, para permitir a los iones de litio que sólo se muevan entre los electrodos al tiempo que la batería está siendo cargada y descargada. Este tipo de barreras ya existen y podrían también ayudar a limitar el movimiento de polisulfuros dentro de la batería. Esto significaría que dos soluciones de electrolito distintas, cada una rodeando a un electrodo, podrían utilizarse para optimizar aún más el rendimiento, aunque este tipo de membranas tienden a ser prohibitivamente caras.
Un reto adicional para el equipo de Stanford, si intentasen comercializar la nueva batería, vendría dado por la escala de la producción en masa. El problema es la inestabilidad del litio sulfuro en presencia de aire. Los cátodos utilizados en el estudio actual fueron fabricados en un contenedor sellado lleno de gas argón, un ento o que sería difícil de replicar en instalaciones de producción a gran escala, afirma Jeffrey Dahn, profesor de física y química en la Universidad Dalhousie en Halifax, Canadá.
“Los nanocables de silicio y la combinación litio-sulfuro son una buena idea,” afirma Affinito. “Pero hay muchas buenas ideas que finalmente no funcionan; tendrán que trabajar mucho en ello para hacer que sea viable a nivel comercial.”