Baterias de litio-azufre superan la capacidad de las de iones de litio

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de la Energía (Berkeley Lab) EE.UU. han demostrado en el laboratorio de una batería de litio-azufre (Li / S) que tiene más del doble de la energía específica de las baterías de iones de litio, y que tiene una duración de más de 1500 ciclos de carga-descarga con caries mínimo de capacidad de la batería. Se trata de un ciclo de vida más largo reportado hasta el momento por cualquier batería de litio-azufre.

La demanda de baterías de alto rendimiento para los vehículos eléctricos híbridos y eléctricos capaces de igualar el rango y el poder del motor de combustión anima a los científicos a desarrollar nuevas químicas de la batería que podría entregar más potencia y energía que las baterías de iones de litio, actualmente la química de la batería con mejor comportamiento en el mercado.

Para los vehículos eléctricos tienen un alcance de 300 millas, la batería debe proporcionar una energía específica de nivel de celda de 350 a 400 Watt-hours/kilogram (Wh / kg). Esto requeriría casi el doble de la energía específica (alrededor de 200 Wh / kg) de las actuales baterías de litio-ion. Las baterías también tendría que tener por lo menos 1000, y preferiblemente 1.500 ciclos de carga-descarga sin mostrar un poder notable o pérdida de la capacidad de almacenamiento de energía.

"Nuestras células pueden proporcionar una importante oportunidad para el desarrollo de vehículos de cero emisiones con un campo de prácticas similares a la de los vehículos de gasolina." dice Elton Cairns, de la División de Tecnologías de Energía Ambiental (EETD)

Beneficios de azufre de litio, y los desafíos

"La química de la batería de litio-azufre ha atraído la atención debido a que tiene una energía específica teórica mucho mayor que las baterías de iones de litio hacen", dice Cairns. "Las baterías de litio-azufre también deseable porque el azufre es tóxico, seguro y de bajo costo", añade. Las baterías de Li / S sería más barato que las actuales baterías de ion-litio, y serían menos propensas a los problemas de seguridad que han afectado a las baterías de Li-ion, como el sobrecalentamiento y la captura de fuego.

El desarrollo de la batería de litio-azufre también tiene sus desafíos. Durante la descarga polisulfuros de litio tienden a disolverse desde el cátodo en los electrolitos y reaccionar con el ánodo de litio formando una capa de barrera de Li 2 S. Esta degradación química es una de las razones por qué la capacidad de la célula comienza a desaparecer después de unos pocos ciclos.

Otro problema con las baterías de Li / S es que la reacción de conversión a partir de azufre a Li 2 S y de nuevo hace que el volumen del electrodo de azufre a hincharse y contraerse hasta 76 por ciento durante el funcionamiento de la celda, lo que conduce a la degradación mecánica de los electrodos. Como el electrodo de azufre se expande y se contrae durante el ciclo, las partículas de azufre pueden llegar a ser eléctricamente aislado del colector de corriente del electrodo.

La célula prototipo diseñado por el equipo de investigación utiliza varias tecnologías electroquímicas para abordar este conjunto de problemas. El cátodo está compuesto de óxido de azufre grafeno (S-GO), un material desarrollado por el equipo que puede acomodar el cambio de volumen del material activo del electrodo como el azufre se convierte a Li 2 S en la descarga, y de nuevo a azufre elemental en la recarga .

Para reducir aún más la degradación mecánica del cambio de volumen durante el funcionamiento, el equipo utilizó un aglutinante elastomérico. Mediante la combinación de caucho de butadieno estireno elastomérico (SBR) de aglutinante con un agente espesante, el ciclo de vida y la densidad de potencia de la celda de batería aumentaron sustancialmente en las baterías que utilizan aglutinantes convencionales.

Para abordar el problema de la disolución de polisulfuro y la degradación química del equipo de investigación aplica un recubrimiento de bromuro de cetil trimetil amonio (CTAB) de tensioactivo que también se utiliza en los sistemas de administración de fármacos, colorantes, y otros procesos químicos. Recubrimiento de CTAB en el electrodo de azufre reduce la capacidad del electrolito para penetrar y disolver el material de electrodo.

Además, el equipo desarrolló un nuevo electrolito líquido a base iónica. El nuevo electrolito inhibe polisulfuros disolución y ayuda a la batería funcione a una velocidad alta, el aumento de la velocidad a la que la batería se puede cargar, y la potencia que puede entregar durante la descarga. El electrolito de base líquida iónica también mejora significativamente la seguridad de la batería Li-S, ya que los líquidos iónicos no son volátiles y no inflamable.

"Es la única combinación de estos elementos en la química de la célula y el diseño que ha llevado a una celda de litio-azufre cuya actuación no se ha logrado en el laboratorio antes de larga vida, alta capacidad de velocidad y alta energía específica a nivel celular" dice Cairns.

El equipo ahora está buscando el apoyo para el desarrollo continuo de la célula Li / S, incluyendo una mayor utilización de azufre, el funcionamiento en condiciones extremas, y la ampliación. Se están buscando alianzas con la industria.

Los próximos pasos en el desarrollo son aumentar aún más la densidad de energía de las células, mejorar el rendimiento de células en condiciones extremas, y escala hasta las células más grandes.

"Una larga vida, alta velocidad de células de litio / azufre: un enfoque multifacético para mejorar el rendimiento de las células", en la revista Nano Letters , por Min-Kyu Song (Molecular Foundry, Berkeley Lab), Yuegang Zhang (Suzhou Instituto de Nano-Tech y Nano-Bionics, la Academia China de Ciencias) y Cairns (División de Tecnologías de Energía Medioambiental, Berkeley Lab).

Esta investigación fue financiada por el Departamento de la Oficina de Ciencia de Energía de EE.UU. y de la Universidad de California Prueba Premio Concepto de.

La fundición molecular es uno de los cinco DOE nanoescala Ciencia Centros de Investigación (NSRCs), instalaciones de los usuarios nacionales para la investigación interdisciplinaria en la nanoescala, apoyados por la Oficina de Ciencia del DOE. Juntos, los NSRCs comprenden un conjunto de instalaciones complementarias que proporcionan a los investigadores la capacidad del estado de la técnica para fabricar, procesar, caracterizar, y de los materiales a nanoescala modelo, y que constituyen la mayor inversión en infraestructura de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. Los NSRCs se encuentran en Argonne del Departamento de Energía, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge y Sandia y los laboratorios nacionales de Los Alamos. Para obtener más información acerca de los NSRCs DOE, por favor visite su sitio web .

Fuente: http://eetd.lbl.gov/news/article/57182/holistic-cell-design-by-berkele

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