La investigadora Noelia Moreno muestra la pila experimental de litio y azufre. Fuente: UCO.
Muchos de los dispositivos móviles que inundan hogares y centros de trabajo funcionan gracias a baterías recargables denominadas de ion de litio. Sin embargo, a pesar de su eficiencia, estas baterías pueden tener los días contados. En diferentes laboratorios del planeta se están preparando sus sustitutas, más duraderas y seguras y que previsiblemente estén disponibles a la vuelta de pocos años.
Las alternativas vienen de la mano de elementos bastante disponibles en la naturaleza, el litio y el azufre. Para que lleguen a la vida cotidiana, aún hay una serie de obstáculos en estos acumuladores de energía que los químicos tratan de superar. Investigadores de la Universidad de Córdoba (UCO) han conseguido dar un paso adelante en la consecución de la deseada batería de litio y azufre utilizable a gran escala al desarrollar un prototipo que duplica la duración de los actuales dispositivos de generación de energía y que ofrece mayor seguridad que los desarrollos hasta ahora alcanzados.
Muchos dispositivos eléctricos no necesitan conectarse a la corriente eléctrica para funcionar, lo que permite movilidad a la hora de comunicarse por teléfono, o para redactar un informe en un portátil fuera de la oficina. Lo hacen gracias a un invento de un milanés, Alesssandro Volta. Su pila voltaica fue el primer intento humano por almacenar energía a partir de procesos químicos controlados.
En 1800, cuando la presentó a la Royal Society de Londres, el inventor itálico empleó cobre y cinc. Dos siglos después, las celdas de energía se basan en otros elementos. La pila de litio y azufre parece ser el acumulador más prometedor en la actualidad. Sin embargo, su desarrollo se topa con varias dificultades: hay que mejorar la conductividad del azufre, hay que conseguir evitar la disolución de un subproducto llamado polisulfuro de litio en el electrolito y reducir la reactividad del litio que puede provocar problemas de seguridad en la batería.
“Puesto que hay alternativas viables a la resolución de estos problemas, en un futuro cercano esta nueva batería mejorará las prestaciones de nuestros electrónicos: teléfonos móviles, ordenadores portátiles... y hará más competitivos a los vehículos eléctricos”, resume el catedrático Julián Morales, responsable del grupo de investigación de Química Inorgánica que ha desarrollado esta celda, en la nota de prensa de la UCO.
El experimento
Los científicos de la UCO han creado de forma experimental baterías de litio y azufre que aportan una solución al problema de la seguridad. “El litio metálico es muy interesante para el desarrollo de baterías, pero lamentablemente también es muy reactivo”, explica Noelia Moreno, que el 18 de diciembre defendió en la Universidad de Córdoba su tesis doctoral, en la que está inserto este trabajo de investigación.
Los investigadores emplearon una fuente de iones de litio alternativa en una nanoestructura que combinaba estaño y carbono. Para comprobar si la batería era eficiente, se diseñaron y ensayaron prototipos conjuntamente con la Universidad de Roma La Sapienza (Italia). Los resultados de esta propuesta han sido publicados recientemente en la revista científica Chemical Communications.
En una batería se genera una corriente eléctrica gracias a la existencia de dos polos llamados ánodo y cátodo, que intercambian iones en un circuito. En este proceso constante, hasta que se agota el intercambio, se puede aprovechar la energía para hacer funcionar un aparato eléctrico. En las baterías de litio y azufre, el litio funciona de ánodo, mientras que el azufre toma el papel de cátodo.
Para solventar el problema de la conductividad del azufre que actualmente presentan las baterías basadas en este elemento, esto es, para que el movimiento de iones sea fluido en el circuito, los químicos de la UCO emplearon también en su prototipo otra estructura mixta: el azufre se recubría con una red nanométrica y ordenada de carbono. Los químicos estudiaron cómo extender la malla lo máximo posible y cómo de porosa debía ser para hacer el proceso electroquímico entre el litio y el azufre lo más eficiente posible.
Las alternativas vienen de la mano de elementos bastante disponibles en la naturaleza, el litio y el azufre. Para que lleguen a la vida cotidiana, aún hay una serie de obstáculos en estos acumuladores de energía que los químicos tratan de superar. Investigadores de la Universidad de Córdoba (UCO) han conseguido dar un paso adelante en la consecución de la deseada batería de litio y azufre utilizable a gran escala al desarrollar un prototipo que duplica la duración de los actuales dispositivos de generación de energía y que ofrece mayor seguridad que los desarrollos hasta ahora alcanzados.
Muchos dispositivos eléctricos no necesitan conectarse a la corriente eléctrica para funcionar, lo que permite movilidad a la hora de comunicarse por teléfono, o para redactar un informe en un portátil fuera de la oficina. Lo hacen gracias a un invento de un milanés, Alesssandro Volta. Su pila voltaica fue el primer intento humano por almacenar energía a partir de procesos químicos controlados.
En 1800, cuando la presentó a la Royal Society de Londres, el inventor itálico empleó cobre y cinc. Dos siglos después, las celdas de energía se basan en otros elementos. La pila de litio y azufre parece ser el acumulador más prometedor en la actualidad. Sin embargo, su desarrollo se topa con varias dificultades: hay que mejorar la conductividad del azufre, hay que conseguir evitar la disolución de un subproducto llamado polisulfuro de litio en el electrolito y reducir la reactividad del litio que puede provocar problemas de seguridad en la batería.
“Puesto que hay alternativas viables a la resolución de estos problemas, en un futuro cercano esta nueva batería mejorará las prestaciones de nuestros electrónicos: teléfonos móviles, ordenadores portátiles... y hará más competitivos a los vehículos eléctricos”, resume el catedrático Julián Morales, responsable del grupo de investigación de Química Inorgánica que ha desarrollado esta celda, en la nota de prensa de la UCO.
El experimento
Los científicos de la UCO han creado de forma experimental baterías de litio y azufre que aportan una solución al problema de la seguridad. “El litio metálico es muy interesante para el desarrollo de baterías, pero lamentablemente también es muy reactivo”, explica Noelia Moreno, que el 18 de diciembre defendió en la Universidad de Córdoba su tesis doctoral, en la que está inserto este trabajo de investigación.
Los investigadores emplearon una fuente de iones de litio alternativa en una nanoestructura que combinaba estaño y carbono. Para comprobar si la batería era eficiente, se diseñaron y ensayaron prototipos conjuntamente con la Universidad de Roma La Sapienza (Italia). Los resultados de esta propuesta han sido publicados recientemente en la revista científica Chemical Communications.
En una batería se genera una corriente eléctrica gracias a la existencia de dos polos llamados ánodo y cátodo, que intercambian iones en un circuito. En este proceso constante, hasta que se agota el intercambio, se puede aprovechar la energía para hacer funcionar un aparato eléctrico. En las baterías de litio y azufre, el litio funciona de ánodo, mientras que el azufre toma el papel de cátodo.
Para solventar el problema de la conductividad del azufre que actualmente presentan las baterías basadas en este elemento, esto es, para que el movimiento de iones sea fluido en el circuito, los químicos de la UCO emplearon también en su prototipo otra estructura mixta: el azufre se recubría con una red nanométrica y ordenada de carbono. Los químicos estudiaron cómo extender la malla lo máximo posible y cómo de porosa debía ser para hacer el proceso electroquímico entre el litio y el azufre lo más eficiente posible.
El futuro
El catedrático Julián Morales advierte que estas nuevas baterías pueden ayudar no sólo a que los móviles duren más de un día, como ocurre actualmente.
“También los vehículos eléctricos se beneficiarán de manera extraordinaria con el uso de estas baterías. La autonomía que proporcionan las baterías de ion de litio similares a las de los dispositivos móviles es limitada, entre 150 y 200 kilómetros, antes de volver a cargar el vehículo. Si logramos desarrollar baterías de litio y azufre, podríamos desplazarnos con estos vehículos hasta 600 kilómetros, cerca de las distancias de repostaje de los motores de combustión”, aventura.
Sin embargo, esa perspectiva aún es un futurible. “Aún queda tiempo para que estos prototipos lleguen a la industria, pero estamos trabajando en ello”, subraya Moreno. La investigación ha sido financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad.
Litio-azufre
La batería de litio-azufre (Li-S) destaca por su alta densidad de energía. En virtud del bajo peso atómico del litio y el moderado de azufre, las baterías de Li-S son relativamente ligeras, aproximadamente de la densidad del agua.
Las mejores baterías de Li-S ofrecen densidades de energía del orden de 500 W·h/kg, mientras que las de iones de litio se encuentran en el rango de 150 a 200. Se han mostrado baterías de Li-S con hasta 1.500 ciclos de carga y descarga.
El catedrático Julián Morales advierte que estas nuevas baterías pueden ayudar no sólo a que los móviles duren más de un día, como ocurre actualmente.
“También los vehículos eléctricos se beneficiarán de manera extraordinaria con el uso de estas baterías. La autonomía que proporcionan las baterías de ion de litio similares a las de los dispositivos móviles es limitada, entre 150 y 200 kilómetros, antes de volver a cargar el vehículo. Si logramos desarrollar baterías de litio y azufre, podríamos desplazarnos con estos vehículos hasta 600 kilómetros, cerca de las distancias de repostaje de los motores de combustión”, aventura.
Sin embargo, esa perspectiva aún es un futurible. “Aún queda tiempo para que estos prototipos lleguen a la industria, pero estamos trabajando en ello”, subraya Moreno. La investigación ha sido financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad.
Litio-azufre
La batería de litio-azufre (Li-S) destaca por su alta densidad de energía. En virtud del bajo peso atómico del litio y el moderado de azufre, las baterías de Li-S son relativamente ligeras, aproximadamente de la densidad del agua.
Las mejores baterías de Li-S ofrecen densidades de energía del orden de 500 W·h/kg, mientras que las de iones de litio se encuentran en el rango de 150 a 200. Se han mostrado baterías de Li-S con hasta 1.500 ciclos de carga y descarga.
Referencia bibliográfica:
Noelia Moreno, Marco Agostini, Álvaro Caballero, Julián Morales y Jussef Hassoun: A long-time lithium ion sulfur battery exploiting high performance electrodes. Chemical Communications (2015). DOI: 10.1039/C5CC05162B.
Noelia Moreno, Marco Agostini, Álvaro Caballero, Julián Morales y Jussef Hassoun: A long-time lithium ion sulfur battery exploiting high performance electrodes. Chemical Communications (2015). DOI: 10.1039/C5CC05162B.