Reciclar azufre para baterías más estables y potentes
Los científicos en el Laboratorio Nacional de Energía de Oak Ridge han diseñado y probado una batería de litio-azufre de sólidos con aproximadamente cuatro veces la densidad de potencia de energía de iones de litio convencionales hoy.
El diseño de la batería ORNL, que utiliza azufre elemental abundante, ya que es un subproducto de la industria química, de bajo costo, también se ocupa de la inflamabilidad experimentada en varias ocasiones .
«Nuestro enfoque es un cambio completo del concepto actual de la batería de dos electrodos unidos por un electrolito líquido, que se ha utilizado en los últimos 150 a 200 años», dijo Chengdu Liang, autor principal del estudio ORNL publicado esta semana en Angewandte Chemie Edición internacional.
Los científicos han estado entusiasmados con el potencial de las baterías de litio-azufre durante décadas, pero las versiones de larga duración y de gran escala para aplicaciones comerciales han demostrado ser difícil de alcanzar. Los investigadores se quedaron atrapados con una captura creado por el uso de la batería de electrolito líquido: Por un lado, el líquido ayudó a realizar iones a través de la batería al permitir que los compuestos de polisulfuro de litio se disuelven .La desventaja, sin embargo, fue que el mismo proceso de disolución causó la batería se rompa antes de tiempo hacia abajo y que sea altamente inflamable.
El equipo de ORNL superó estas barreras por primera síntesis de una clase nunca antes visto de materiales ricos en azufre que conducen iones, así como el metal de litio óxido que se usa convencionalmente en el cátodo de la batería. El equipo de Liang a continuación, se combina el nuevo cátodo rico en azufre y un ánodo de litio con un material de electrolito sólido, también desarrollado en ORNL, para crear una batería de alta densidad de energía, todo-sólido.
«Este cambio de juego de cambio de líquido a electrolitos sólidos elimina el problema de la disolución de azufre y nos permite cumplir con la promesa de las baterías de litio-azufre», dijo Liang. «Nuestro diseño de la batería tiene un potencial real para reducir costes, aumentar la densidad de energía y mejorar la seguridad en comparación con la tecnología de iones de litio existentes.»
El nuevo cátodo iónicamente conductor habilitado la batería ORNL para mantener una capacidad de 1.200 miliamperios-hora (mAh) por gramo después de 300 ciclos de carga-descarga a 60 grados Celsius. Por comparación, un tradicional cátodo de la batería de iones de litio tiene una capacidad promedio de entre 140 a 170 mAh / g. Ya que las baterías de litio-azufre emiten cerca de la mitad de la tensión de las versiones de iones de litio, este aumento de ocho veces en la capacidad demostrada en el ORNL batería de cátodo se traduce en cuatro veces la densidad de energía gravimétrica de las tecnologías de litio-ion, explicó Liang.
Diseño completamente sólida del equipo de seguridad de la batería también aumenta mediante la eliminación de electrolitos líquidos inflamables que pueden reaccionar con el metal de litio. El principal de otras ventajas de la batería ORNL es el uso de azufre elemental, un subproducto industrial abundante de procesamiento de petróleo.
«El azufre es prácticamente libre», dijo Liang. «No sólo el azufre genera mucha más energía que los compuestos de metales de tradicionalmente utilizados en cátodos de baterías de iones de litio, además este dispositivo de litio-azufre podría ayudar a reciclar un producto de desecho en una tecnología útil.»
Aunque la nueva batería del equipo se encuentra todavía en la fase de demostración, Liang y sus colegas esperan ver a sus investigaciones se mueven rápidamente por el laboratorio en aplicaciones comerciales. Una patente de diseño del equipo está pendiente.
«Este proyecto representa una sinergia entre la ciencia básica y la investigación aplicada», dijo Liang. «Utilizamos la investigación básica para entender un fenómeno científico, identificado el problema y luego creó el material adecuado para resolver ese problema, lo que llevó al éxito de un dispositivo con las aplicaciones del mundo real.»
La síntesis y caracterización se llevó a cabo en el Centro de Ciencias de Materiales Nanophase en ORNL. CNMS es uno de los cinco Centros de Investigación de Nanotecnología DOE apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE, facilidades para los usuarios nacionales de primer nivel para la investigación interdisciplinaria en la nanoescala. 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 modelar materiales a nanoescala, y 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 laboratorios nacionales de Los Alamos. Para obtener más información acerca de la NSRCs DOE, por favor visite http://science.energy.gov/bes/suf/user-facilities/nanoscale-science-research-centers .
Fuente: http://www.ornl.gov
