Investigadores asistentes del Laboratorio Nacional de Brookhaven, perteneciente al Departamento de Energía de Estados Unidos, han mejorado las baterías de litio-azufre agregando un compuesto químico al electrolito, lo que ha mejorado significativamente la velocidad de carga. El aditivo electrolítico, llamado nitrato de cesio, también afecta positivamente a la durabilidad de la batería y a la estabilidad de los ánodos y cátodos.
El descubrimiento reciente del equipo, publicado en la revista Nature Communications, se centra en la capa protectora formada por los ánodos y cátodos en las baterías de litio-azufre. Esta capa evita la degradación de los electrodos y es fundamental para crear baterías de litio-azufre que se puedan cargar y descargar múltiples veces, al igual que las baterías de litio-ion.
El aditivo electrolítico desarrollado por los investigadores no solo ha mejorado en gran medida la estabilidad de la batería, sino que también ha afectado inesperadamente a las reacciones químicas dentro de la batería.
«Los descubrimientos de Mominur desafían las creencias convencionales sobre los componentes de una capa protectora efectiva», dijo Enyuan Hu, un químico de Brookhaven y el investigador principal en almacenamiento de energía electroquímica. «Estoy emocionado por ver cómo estos hallazgos contribuyen al importante proyecto del Departamento de Energía centrado en las baterías de litio-azufre».
El equipo de científicos forma parte del consorcio Battery500, que está compuesto por varios laboratorios nacionales y universidades y es liderado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Departamento de Energía de Estados Unidos. El consorcio tiene como objetivo crear baterías con una densidad de energía de 500 vatios-hora por kilogramo, más del doble de la densidad de energía de las baterías actualmente disponibles en el mercado.
Los investigadores reconocen que dicha densidad de energía no se puede lograr en las baterías de litio-ion, que alimentan la mayoría de los dispositivos electrónicos, incluyendo teléfonos móviles, controles remotos de TV e incluso vehículos eléctricos. Por lo tanto, los científicos tuvieron que redirigir sus investigaciones hacia las baterías de litio-azufre, que tienen un ánodo de litio en lugar de grafito, como las baterías de litio-ion.
Las baterías de litio-azufre son atractivas debido a su densidad de energía dos veces mayor en comparación con las baterías de litio-ion, pero enfrentan muchos desafíos que se deben superar.
La última investigación del equipo de Brookhaven se centra en encontrar un equilibrio entre la velocidad de carga y la durabilidad de la batería. El electrolito, que normalmente permite una carga rápida de la batería, puede reaccionar de manera descontrolada con el ánodo de litio, lo que lleva a su degradación. Los investigadores de Brookhaven crearon una capa protectora que evita estas reacciones químicas.
Investigaciones anteriores sugerían que agregar cesio podría ayudar a estabilizar el ánodo de litio. Sin embargo, para aumentar la velocidad de carga y mantener la durabilidad de la batería, tanto el ánodo como el cátodo debían estabilizarse simultáneamente. Los científicos de Brookhaven creyeron que el nitrato de cesio podría cumplir este papel para las baterías de litio-azufre. Como resultó, el ion de cesio se acumuló en el lado del ánodo cargado negativamente, mientras que el ion de nitrato se acumuló en el lado del cátodo cargado positivamente.
Para comprender mejor cómo el nitrato de cesio afecta la composición del electrolito y el rendimiento de la batería, los investigadores realizaron experimentos en el Laboratorio Brookhaven utilizando el National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una de las fuentes de luz de rayos X más avanzadas del mundo.
El NSLS-II es adecuado para la investigación de baterías debido a la amplia gama de técnicas disponibles que permiten estudios exhaustivos de materiales complejos.
Los científicos utilizaron cuatro haces de rayos X del NSLS-II, incluidos rayos X a un nivel de energía adecuado para analizar la composición del electrolito y el funcionamiento de las baterías de litio-azufre con más detalle.
Los investigadores saben que sus estudios son solo el primer paso hacia el objetivo de crear baterías de litio-azufre con mayor rendimiento y durabilidad. Al agregar nitrato de cesio al electrolito, los científicos de Brookhaven han mejorado los elementos fundamentales de las baterías de litio-azufre, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo futuro de baterías que ofrecen una mayor densidad de energía y durabilidad en comparación con los productos actualmente disponibles en el mercado.
FAQ
1. ¿Cómo han mejorado los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven las baterías de litio-azufre?
Los científicos agregaron un compuesto químico llamado nitrato de cesio al electrolito de la batería, lo que mejoró la velocidad de carga, la durabilidad de la batería y la estabilidad de los ánodos y cátodos.
2. ¿Qué descubrimiento se publicó en la revista Nature Communications?
Los científicos descubrieron que la capa protectora formada por los ánodos y cátodos en las baterías de litio-azufre es crucial para crear baterías que se pueden cargar y descargar múltiples veces.
3. ¿Cómo afecta el nitrato de cesio a la composición del electrolito y al rendimiento de la batería?
El nitrato de cesio se acumula en el lado del ánodo cargado negativamente, mientras que los iones de nitrato se acumulan en el lado del cátodo cargado positivamente. Esto hace que el electrolito sea más estable y mejora el rendimiento de la batería.
4. ¿Por qué los científicos dirigieron su investigación hacia las baterías de litio-azufre?
Las baterías de litio-azufre tienen una densidad de energía dos veces mayor en comparación con las baterías de litio-ion, pero presentan varios desafíos que deben superarse.
5. ¿Cuál es el objetivo principal del consorcio Battery500, que incluye al equipo de investigación de Brookhaven?
El consorcio Battery500 tiene como objetivo crear baterías con una densidad de energía de 500 vatios-hora por kilogramo, más del doble de la densidad de energía de las baterías actualmente disponibles en el mercado.
Definiciones
1. Electrolito: una sustancia que conduce corriente eléctrica en una batería u otro dispositivo electroquímico.
2. Ánodo: el electrodo donde ocurre la oxidación (electrodo positivo).
3. Cátodo: el electrodo donde ocurre la reducción (electrodo negativo).
4. Densidad de energía: la cantidad de energía almacenada por unidad de masa.
Sugerencias de enlaces relacionados
1. Laboratorio Nacional de Brookhaven
2. Departamento de Energía de Estados Unidos
3. Nature Communications
4. Artículo en el sitio web del Laboratorio Nacional de Brookhaven