Los investigadores de materiales del Instituto Paul Scherrer PSI en Suiza, en colaboración con la Université Grenoble Alpes Francia, desarrollaron un método que podría permitir un gran avance para la batería de litio-azufre. En teoría, las baterías de litio-azufre pueden ofrecermás energía que las baterías de iones de litio convencionales actuales, pero los prototipos actuales muestran una clara pérdida de capacidad después de unos pocos ciclos de carga. Como resultado, aún no son aptas para un uso generalizado, por ejemplo, en vehículos eléctricos. Con su nuevo método,Los investigadores pudieron obtener información crucial sobre cómo se produce la rápida pérdida de capacidad. Y demostraron: si se agrega polvo de cuarzo al componente líquido de la batería, esta pérdida puede ralentizarse. Los investigadores informan sus resultados en la última edición dela revista científica Energía de la naturaleza.
La batería de litio-azufre se considera un candidato prometedor para futuros dispositivos de almacenamiento de energía: los materiales necesarios son económicos, respetuosos con el medio ambiente y fácilmente disponibles. Por encima de todo, este tipo de batería, teóricamente, puede entregar alrededor de tres veces más energía que la actualbatería usada de iones de litio. En la práctica, sin embargo, todavía existen varios obstáculos: por ejemplo, la batería de litio-azufre pierde rápidamente capacidad con la carga repetida. Los prototipos actuales manejan muchos menos ciclos de carga que las baterías de iones de litio convencionales, yademás de eso, entregan solo una fracción de la energía teóricamente posible.
Los investigadores de electroquímica de PSI obtuvieron nuevos conocimientos sobre los procesos responsables de la pérdida de capacidad mediante el desarrollo de un método de examen especial que utiliza rayos X para rastrear las reacciones químicas que tienen lugar dentro de la batería. Hicieron visible directamente, por primera vez, lacómo cambian los compuestos de litio-azufre y cómo esto conduce a la pérdida de capacidad. Y observaron por primera vez cómo el polvo de cuarzo común, el componente principal de la arena y el ingrediente principal del vidrio, mejora la batería de litio-azufre: agregóal componente líquido de la batería, aumenta la energía disponible y frena la pérdida de capacidad que se produce con el tiempo. Otros investigadores ya habían determinado previamente que el polvo de cuarzo interactúa con los materiales en las baterías de litio-azufre. Ahora los investigadores de PSI han cuantificado elbeneficios que el polvo de cuarzo puede ofrecer: "Con este aditivo, el rendimiento de una batería de litio y azufre mejora entre un 25 y un 30 por ciento", dice la investigación de PSIr Claire Villevieille, coautora del estudio."Simplemente agregamos el polvo de cuarzo al electrolito, es decir, el componente líquido de la batería, como agregar detergente en polvo a la ropa", dice Villevieille.
Polvo de cuarzo contra la "suciedad"
Los investigadores tienen buenas razones para comparar su aditivo con el detergente para ropa: el polvo de cuarzo de hecho se une a una especie de "suciedad" en la batería. Los llamados polisulfuros se forman durante el funcionamiento de una batería de litio-azufre.constituyente normal de una batería de litio-azufre en funcionamiento. Sin embargo, una parte de ellos se perderá en el componente líquido de la batería y luego viajará de un lado a otro entre sus dos electrodos con cada ciclo de carga y descarga; los investigadores lo denominan "lanzaderaefecto. "Como consecuencia, estos polisulfuros rebeldes reaccionan con el electrodo de litio de la batería, reduciendo así la cantidad de azufre disponible, el material activo en la batería, y disminuyendo la capacidad de la batería.
Este proceso se puede contrarrestar mediante la adición de polvo de cuarzo. "Descubrimos que el cuarzo une los polisulfuros de la misma manera que el jabón une la suciedad", informa Claire Villevieille. Esto aumenta y conserva la capacidad de carga, porque el interior de la batería se mantiene limpio yfuncional durante más tiempo. La reversibilidad del proceso de descarga mejora. "A esto lo llamamos la eficiencia Coulombic", dice Villevieille. "Aumenta de alrededor del 80 por ciento al 90 por ciento." En comparación, la eficiencia Coulombic de un ion-litio convencionalla batería supera el 99,9 por ciento. "Evidentemente, todavía queda un largo camino por recorrer para alcanzar esta cifra, pero ya es un gran paso".
instantáneas de rayos X de una batería
El efecto positivo del cuarzo se reveló cuando los investigadores de PSI, en cooperación con un colega de la Université Grenoble Alpes, examinaron los procesos químicos dentro de la batería utilizando un método conocido como difracción de rayos X operando. Por lo general, los líquidos no se pueden observarutilizando esta técnica, y por lo tanto los procesos en el electrolito permanecen ocultos. "La difracción de rayos X funciona solo en estructuras cristalinas ordenadas; los polisulfuros en el electrolito, sin embargo, normalmente se mueven de manera desordenada", explica Joanna Conder, colega de Villevieilles.primer autor del estudio. Para hacer visibles los polisulfuros, los investigadores agregaron fibras de vidrio al electrolito. Los polisulfuros se asentaron en la superficie de las fibras de manera ordenada. "Alineados de esta manera, los polisulfuros difractan los rayos X y asíEsto nos permitió por primera vez rastrear la acumulación y transformación de los polisulfuros dentro de la batería durante la carga y descarga.rge ", dice Conder.
Inesperadamente, los investigadores encontraron que las fibras de vidrio reducían la acumulación no deseada de sulfuros. Dado que el vidrio consiste principalmente en cuarzo, la idea de comenzar a usar polvo de cuarzo como una especie de agente de limpieza en las baterías fue evidente.
económico y sencillo
Los dos investigadores de PSI reconocen que existen, en principio, otros enfoques mediante los cuales se podría evitar que los polisulfuros se disuelvan y contribuir a limitar la función de la batería: "Pero estos son muy complicados o muy costosos o ambos, especialmente cuando el método necesitapara ser implementado a escala industrial. El cuarzo, por el contrario, es el material más barato que existe. "Introducir tal sustancia en el electrolito es francamente simple." Esa es la gran ventaja de nuestro método ", dice Joanna Conder.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Paul Scherrer Institut PSI . Original escrito por Jan Berndorff. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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