La batería de litio-azufre de 1000 ciclos podría quintuplicar la autonomía de los vehículos eléctricos

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Una nueva membrana de batería de inspiración biológica ha permitido que una batería con cinco veces la capacidad del diseño de iones de litio estándar de la industria funcione durante los más de mil ciclos necesarios para alimentar un automóvil eléctrico.

Una red de nanofibras de aramida, recicladas de Kevlar, puede permitir que las baterías de litio-azufre superen su talón de Aquiles del ciclo de vida, la cantidad de veces que se puede cargar y descargar, según demostró un equipo de la Universidad de Michigan.

“Hay una serie de informes que afirman varios cientos de ciclos para las baterías de litio-azufre, pero se logra a expensas de otros parámetros: capacidad, tasa de carga, resiliencia y seguridad. El desafío actual es hacer una batería que aumente la tasa de ciclo de los 10 ciclos anteriores a cientos de ciclos y satisfaga muchos otros requisitos, incluido el costo”, dijo Nicolás Kotov, el Profesor Distinguido de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Irving Langmuir, quien dirigió la investigación.

“La ingeniería biomimética de estas baterías integró dos escalas: molecular y nanoescala. Por primera vez, integramos la selectividad iónica de las membranas celulares y la dureza del cartílago. Nuestro enfoque de sistema integrado nos permitió abordar los desafíos generales de las baterías de litio-azufre”.

Anteriormente, su equipo se había basado en redes de nanofibras de aramida infundidas con un gel electrolítico para detener una de las principales causas del ciclo de vida corto: las dendritas que crecen de un electrodo al otro, perforando la membrana. La dureza de las fibras de aramida detiene las dendritas.

Pero las baterías de litio y azufre tienen otro problema: se forman pequeñas moléculas de litio y azufre que fluyen hacia el litio, se adhieren y reducen la capacidad de la batería. La membrana necesitaba permitir que los iones de litio fluyeran del litio al azufre y viceversa, y bloquear las partículas de litio y azufre, conocidas como polisulfuros de litio. Esta capacidad se denomina selectividad iónica.

“Inspirándonos en los canales de iones biológicos, diseñamos carreteras para iones de litio donde los polisulfuros de litio no pueden pasar los peajes”, dijo Ahmet Emre, investigador postdoctoral en ingeniería química y coautor del artículo en Nature Communications.

Al comienzo del experimento, los polisulfuros de litio están solo en el lado izquierdo de la celda de la batería, tanto para la membrana industrial Celgard (izquierda) como para la membrana de nanofibras de aramida UM (derecha). Crédito: Ahmet Emre, Laboratorio Kotov

Los iones de litio y los polisulfuros de litio tienen un tamaño similar, por lo que no fue suficiente bloquear los polisulfuros de litio creando pequeños canales. Imitando los poros de las membranas biológicas, los investigadores de la UM agregaron una carga eléctrica a los poros de la membrana de la batería.

Hicieron esto aprovechando los propios polisulfuros de litio: se adhirieron a las nanofibras de aramida y sus cargas negativas repelieron los iones de polisulfuro de litio que continuaron formándose en el electrodo de azufre. Sin embargo, los iones de litio cargados positivamente podrían pasar libremente.

Apenas media hora después, la membrana de Celgard (izquierda) filtra polisulfuros de litio. Sin embargo, la membrana UM (derecha) bloquea completamente los polisulfuros de litio 96 horas después. Crédito de la imagen: Ahmet Emre, Kotov Lab

“Alcanzar niveles récord para múltiples parámetros para múltiples propiedades de materiales es lo que se necesita ahora para las baterías de automóviles”, dijo Kotov. “Es un poco similar a la gimnasia para los Juegos Olímpicos: tienes que ser perfecto en todos los aspectos, incluida la sostenibilidad de su producción”.

Como batería, Kotov dice que el diseño es “casi perfecto”, con su capacidad y eficiencia acercándose a los límites teóricos. También puede manejar las temperaturas extremas de la vida del automóvil, desde el calor de la carga a pleno sol hasta el frío del invierno. Sin embargo, la vida útil del ciclo en el mundo real puede ser más corta con la carga rápida, más como 1,000 ciclos, dice. Esto se considera una vida útil de diez años.

Junto con la mayor capacidad, las baterías de litio-azufre tienen ventajas de sostenibilidad sobre otras baterías de iones de litio. El azufre es mucho más abundante que el cobalto de los electrodos de iones de litio. Además, las fibras de aramida de la membrana de la batería se pueden reciclar a partir de chalecos antibalas antiguos.

La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Defensa. El equipo estudió la membrana en el Centro de Michigan para la Caracterización de Materiales. La Universidad de Michigan ha patentado la membrana y Kotov está desarrollando una empresa para llevarla al mercado.

Kotov también es profesor de ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka y profesor de ingeniería química, ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular.

Más información: Estudio: Ingeniería multifactorial de membranas biomiméticas para baterías con múltiples parámetros de alto rendimiento (DOI: 10.1038/s41467-021-27861-w)

Publicado originalmente por Noticias de Michigan, Universidad de Michigan.

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