Pascual Bolufer - IQS-Institut Químic de Sarrià,

La batería Litio-azufre (Li-az) resalta por su alta densidad de energía. A eso contribuye el bajo peso atómico del azufre (32), su densidad 1.96 y su punto de fusión 115ºC. Las cualidades del azufre son muy apropiadas para el material del cátodo. No obstante, la utilización del electrodo de azufre con un electrolito líquido está limitada por la formación de polisulfuros solubles en el cátodo hacia el electrolito. A continuación, ese material soluble precipita en el ánodo, con merma de la capacidad de la batería. Los nitratos de litio y polisulfuros de litio resultan útiles para disminuir la disolución parcial del cátodo.

El peso atómico del litio es 6.9. Las baterías li-az tienen aproximadamente la densidad del agua. Ya en agosto de 2008 se usaron en un avión impulsado por energía solar, que alcanzó gran altitud en la atmósfera.

La batería Li-az pretende substituir a la de litio-ión por su mayor densidad energética, su gran estabilidad frente a averías y la reducción de costos que proporciona el azufre. Dobla la autonomía del vehículo eléctrico con litio-ión y puede alcanzar con una sola carga 600 e incluso 800 kilómetros. Ofrece una densidad de 500W.h/kg. En cambio, la batería de litio-ión posee una densidad de 150-200 W.h/kg. Su duración de vida alcanza los 1.500 ciclos de carga y descarga. El voltaje varía entre 2.5 y 1.7V. La reacción electroquímica de la batería es 16Li+8S=8Li2S. Produce, sencillamente, polisulfuros de litio.

En el ánodo hay litio y en el cátodo óxido de grafeno recubierto de azufre y polisulfuros. El electrolito está optimizado para la química polisulfuro, es un líquido iónico y no inflamable. Para proteger el ánodo de litio, el electrodo está aislado del electrolito de polisulfuro con una capa cerámica de sulfuro de litio. Se ha conseguido la seguridad de funcionamiento, algo no garantizado en la batería litio-ión.

La batería Li-Az se descarga al 100% y no queda averiada a pesar de que pase mucho tiempo. La Li-az utiliza el azufre en lugar de metales pesados como el níquel y cobalto. El azufre es un subproducto de la industria del petróleo. Hay varias clases de li-az según las aplicaciones: en la electrónica portátil lo más importante es tener un peso mínimo.

En el vehículo eléctrico es la autonomía, hacer muchos kilómetros sin necesidad de cargar. Se espera que este año Proinso comience con la producción industrial de las baterías li-az de 3kWh, 48V. En Inglaterra, la empresa Oxis Energy -fundada en 2005- está desarrollando el Proyecto Helios y la Polymer Lithium Sulfur cell con Lotus engineering, el Imperial College y la Crandfield University. La fabricación está garantizada con 47 patentes.

En EE UU han probado la batería Li-az Lawrence Berkeley National Laboratory y el US Energy Dept., y confirman que la densidad energética de Li-az duplica la del litio-ión. Solo después de 1.500 ciclos de carga y descarga se nota una leve pérdida de capacidad.

Durante la descarga se liberan y disuelven polisulfuros del cátodo y reaccionan con el ánodo de litio, formándose allí una lámina de sulfuro de litio. La celda se deteriora y pierde capacidad de acumulación de cargas. El cátodo de azufre se expande y contrae durante el funcionamiento de la batería, una degradación mecánica que reduce la vida útil.

En la actualidad, una solución aceptable de la batería Li-az consta de un ánodo de litio, estaño y carbono, un electrolito  complejo y un cátodo de azufre-carbono.

Parece que en Berkeley han solventado el problema: para evitar la disolución de los polisulfuros se usa un revestimiento de bromuro de hexadeciltrimetilamonio en el cátodo. Con el grafeno y un aglutinante elastómero se permite el cambio de volumen del cátodo sin que se deteriore. Aumenta la capacidad y la recarga es más rápida. Oxis Energy, que desarrolla la li-az, ha llegado a decir que en 2016 preferiremos esa batería al motor de gasolina/diesel, y que la batería li-az es capaz de convertir el 90-95% de la carga eléctrica en energía mecánica. De este modo, se lograría un vehículo eléctrico de bajo carbono.

Atrás ha quedado la batería de 1985 de Akira Yoshino de iones de litio y óxido de litio-cobalto. Al emplear materiales sin litio metálico se incrementó mucho la seguridad de la batería. El uso de óxido de litio-cobalto permitió la producción a escala industrial. Su fabricación era más costosa que la de níquel-cadmio. Después de 3.000 ciclos de carga-descarga, la pérdida de capacidad era del 20%.

Luego aparecieron las de ión de litio con polímero, en la que el electrolito litio-sal no está contenido en un solvente orgánico, sino en un compuesto polimérico  sólido, como el óxido de polietileno o poliacrilonitrilo, con menores costes de fabricación.

Coche sin conductor ‘Navya’ con bateria litio-azufre
En Culham, en el parque universitario de esta localidad británica, circula el coche sin conductor Navya, con bateria litio-azufre de Oxis Energy. Usa el láser medidor de distancias para conocer exactamente la distancia a los edificios y ciertos puntos fijos para evitar colisiones. El sistema está complementado con sensores de movimiento, videocámaras y GPS. Oxis Energy  mantiene relaciones con el constructor español SEAT y el fabricante alemán de baterias Varta. Oxis también mantiene contactos con el Ejército para baterías de uso personal y vehículos aéreos no tripulados de Southampton. La batería li-az también sirve para actividades subacuáticas.

Referencias

• Nazar,L.F. Nanostructured carbon-sulfur cathode for lithium-sulfur batteries. Nature Materials, 8, 500-506.2009.
• Raul, R. Lithium/ dissolved sulfur battery with organic electrolyte. J.Electrochemical Society  126, 523-525 - 1979.
• Hassoum,J. Carbon coated sulfur electrode  for lithium battery. J.Electrochemical Society 159, pp 390-395 2012.
• Barchass,J. Lithium sulfur cell discharge Mechanism. Analytical Chemistry 84, 397-412. 2012.
• Kim,J. An advanced lithium-sulfur battery. Advanced Materials, 23 107-110.  2013.

Pies de foto
La imagen que acompaña a este artículo muestra el coche sin conductor ‘Navya’ con bateria litio-azufre desarrollado en Reino Unido