Las baterías de litio-azufre, que en potencia pueden almacenar mucha más energía que las baterías de litio-ion, siempre han resultado ser demasiado costosas, poco seguras y poco fiables como para ser producidas a nivel comercial. Sin embargo, todo esto puede cambiar gracias a una serie de avances recientes. Gracias a una serie de mejoras llevadas a cabo en el diseño de este tipo de baterías, el gigante BASF, con sede en Ludwigshafen, Alemania, se ha aliado con Sion Power, una compañía en Tucson, Arizona, y que ya ha logrado desarrollar un prototipo de células de batería de litio-azufre.

“Si se compara con las tecnologías actuales utilizadas en los vehículos eléctricos, el objetivo es incrementar la distancia de conducción entre 5 y 10 veces más,” para un tamaño de batería específico, afirma Thomas Weber, director de una compañía subsidiaria de BASF llamada BASF Future Business. Otros expertos afirman que es más sensato pensar que estas mejoras únicamente aumentarán el rendimiento tres veces, lo cual es en sí mismo un salto hacia adelante bastante impresionante.  Weber afirma que la experiencia con materiales que posee BASF hará que Sion Power mejore aún más su tecnología y se ponga en el mercado más rápidamente. Sin embargo, no quiso dar detalles del tipo de acuerdo que ambas compañías poseen, incluyendo la cantidad de dinero invertida y la forma en que ambas compañías se repartirán los beneficios si los hay.

Las baterías de litio-azufre tienen un electrodo hecho de litio y otro hecho de azufre que normalmente se emparejan mediante el uso de carbono. Como ocurre con las baterías de litio-ion, la carga y descarga de la batería se realiza a través del movimiento de los iones de litio entre los dos electrodos. No obstante, en teoría la capacidad de las baterías de litio-azufre es mayor que las de las baterías de litio-ion debido a la forma en que los iones se asimilan en los electrodos. Por ejemplo, en el electrodo de azufre, cada átomo de azufre puede albergar dos iones de litio. Normalmente, en las baterías de litio-ion, por cada átomo sólo se pueden acomodar de 0,5 a 0,7 iones de litio, afirma Linda Nazar, profesora de química de la Universidad de Waterloo.

Hasta ahora ha sido muy difícil crear un tipo de material que pudiera sacar provecho de esta, en teoría, mayor capacidad. Uno de los problemas principales es que el azufre es un material aislante, lo que hace difícil que los electrones y los iones se muevan de dentro a afuera. Por tanto, aunque en teoría cada átomo de azufre sea capaz de albergar dos iones de litio, en realidad sólo los átomos de azufre que se encuentran más cercanos a la superficie del material son los que acaban aceptando los iones de litio.

Otro problema es que el azufre se une a los iones de litio, lo que acaba formando sulfuro de dilitio, y forma una serie de productos intermedios llamados polisulfuros. Dichos polisulfuros se disuelven en el líquido de electrolito y pueden acabar asentándose en otras partes dentro de la batería, bloqueando las cargas y las descargas. Esto hace que la batería pueda dejar de funcionar del todo después de apenas unas docenas de ciclos.

Es más, el electrodo de metal de litio posee muchos riesgos a nivel de seguridad. Por ejemplo, al usarse el electrodo de litio desarrolla unas estructuras parecidas a ramificaciones que pueden incrementar la impedancia de la célula, haciendo que se caliente. Finalmente estas estructuras pueden provocar cortocircuitos. Si la batería se calienta, el metal puede fundirse. Si el litio fundido se filtra fuera de la célula y entra en contacto con el agua, puede acabar provocando un incendio. El electrolito de la batería también puede acabar en llamas.

Aunque se negó a dar detalles específicos, Weber afirma que los problemas de seguridad han sido solucionados. El objetivo de BASF es mejorar los materiales para así poder alcanzar la capacidad que en teoría creen que serán capaces de alcanzar. Weber afirma que la compañía tiene un plan de acción muy claro para conseguir este objetivo.

En cuanto a los problemas de seguridad, se han dado tres tipos de avances que podrían cimentar la confianza que Weber parece poseer en este asunto. La formación de dendritas se podría prevenir en cierto modo mediante el tratamiento químico de los electrodos de metal de litio, aunque no todos los investigadores coinciden en que este método fuera a resultar suficiente. Por otro lado, los cortocircuitos se podrían prevenir mediante el uso de mejores membranas de cerámica y polímero que separasen los dos electrodos y evitasen su perforación por las dendritas. Sin embargo, las baterías aún serían muy vulnerables a los cortocircuitos en caso de sufrir algún tipo de daño. Para prevenir los incendios provocados por el electrolito, Nazar afirma que se podrían utilizar electrolitos menos volátiles con las baterías de litio-azufre puesto que tienen un voltaje menor al de las baterías de litio-ion.

Hay otros problemas como son los bajos niveles de conductividad y el limitado número de ciclos de recarga, pero parecen haber sido resueltos al menos en parte por Sion Power. La compañía ha producido unas células que almacenan más del doble de energía que las baterías de litio-ion disponibles en la actualidad, algo que BASF espera poder incluso mejorar. Weber afirma que las baterías tienen la misma vida que el coche en sí, aunque es posible que este dato se base en proyecciones hechas por Sion Power y no en mediciones reales del rendimiento.

John Kopera, director de operaciones comerciales de Sion Power, afirma que las baterías actuales de la compañía pueden soportar 50 ciclos, y que posee un “plan extremadamente detallado” para alcanzar los 1.000 ciclos. (Lo cual es suficiente como para conducir 300.000 millas, o 482.803 kilometros, usando paquetes de batería que otorguen una autonomía de 300 millas, o 482,8 kilómetros.)

Ambas compañías mantienen en secreto los detalles de su colaboración. No obstante, Nazar describió esta semana en la revista Nature Material un posible método para solucionar todos estos problemas. Hasta ahora, los investigadores habían logrado mejorar la conductividad mediante la combinación del azufre con el carbono. Nazar dio un paso adelante y utilizó un tipo de electrodo compuesto por unos tubos de carbono separados entre sí a una distancia homogénea, con un ancho de apenas unos nanómetros. (Su estructura es distinta a la de los nanotubos de carbono.) El equipo de Nazar empaquetó el azufre en los espacios de tamaño nanométrico entre los tubos, por lo que la mayoría de los átomos de azufre se sitúan cerca del carbono conductivo, haciendo que resulten accesibles tanto para los electrones como para los iones de litio.

Los tubos de carbono también ayudaron a resolver el problema de los polisulfuros, que pueden acabar con la vida de una célula de forma prematura. Los tubos de carbono lograron mantener a los polisulfuros en el mismo lugar hasta que finalizan su transformación en sulfuro de dilitio, lo cual hace que la batería no se acabe envenenando. Además, al cubrir el carbono con un polímero que también tiene afinidad por los polisulfuros se logra que éstos se mantengan en su lugar. No obstante, no está claro si BASF acabará por también probar un tipo de electrodo con estructura nanométrica y de este modo mejorar los materiales usados por Sion. Hasta ahora, Sion Power no ha utilizado materiales de estructura nanométrica, afirma Kopera. El método de Nazar implica un reto puesto que es difícil manufacturar grandes volúmenes de electrodos con tubos de carbono.

Aún quedan por solucionar otras cuestiones. Por un lado, las baterías puede que resulten teniendo un precio elevado—el metal de litio es la forma de litio más cara. Además, aún no hay datos fiables acerca del número de ciclos de recarga que las baterías pueden soportar y cómo responderán antes los tests de seguridad. Aún así, Nazar afirma que esta tecnología “ha avanzado mucho. Nuestros desarrollos y los de algunas otras compañías ciertamente nos están ayudando a hacer que todo esto acabe siendo una realidad.”