La prueba de que un material para baterías puede obtener métricas de rendimiento increíbles cuando se utiliza en una pequeña celda de laboratorio, pero también puede fracasar estrepitosamente cuando intentan integrarlo en un sistema a escala comercial, y esto hace que sea más que evidente que es uno de los enormes obstáculos industriales. Para enfrentarse a este gran reto, los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), a través del laboratorio STAR Lab de Sulfuro/Azufre, intentan responder a si estas nuevas tecnologías de almacenamiento pueden cumplir aquellas exigencias requeridas para poder ser fabricadas a gran escala y para su uso cotidiano.
La transición hacia electrolitos sólidos de sulfuro
La mayoría de las baterías comerciales emplean un líquido electrolito para transportar iones de litio entre electrodos, un diseño que permite a los líquidos llenar los poros y mantener contacto físico entre las fases cuando los componentes sufren expansión o contracción en el proceso de carga/descarga. Las baterías de estado sólido sustituyen a dicho líquido por un electrolito sólido, lo que implica una drástica reducción de fugas químicas o inflamables, así como la posibilidad de explorar diferentes diseños de celdas.
Sus limitaciones técnicas fundamentales radican en que los electrolitos sólidos no fluyen hacia espacios vacíos ni reconstruyen contacto físico cuando los materiales están separados por tensión mecánica durante un tiempo prolongado. Con el propósito de contrarrestar estas limitaciones físicas, los expertos han centrado sus esfuerzos en electrolitos sólidos del tipo sulfuro, que presentan la sorprendente propiedad de transportar iones de litio de forma rápida a temperatura ambiente. Mediante la aplicación de una fuerza en forma constante, medida en libras de presión, a las partículas de sulfuro, éstas pueden deformarse de forma tal que se agrupen de modo compacto y agraven las pequeñas brechas microscópicas, de manera tal que mejoren las vías de conducción iónica.
El reto técnico de los electrodos a base de azufre
Investigaciones que se están llevando a cabo en el STAR Lab abordan el uso de electrodos de azufre, un material que es muy barato, universalmente disponible y que tiene una capacidad teórica muy alta, lo que puede resultar un incremento drástico de la energía almacenada por cada onza de masa total, puesto que este se genera en muy grandes cantidades industriales como subproducto como residuo de la industria de refinado del petróleo y del procesamiento del gas natural.
Dado que el azufre es un mal conductor de electrones, se suele combinar, sistemáticamente, con materiales conductores (carbono) para formar redes de transferencia. El proceso de fabricación determina si estas vías de conexión se mantendrán operativas: un mal reparto del azufre conlleva que una porción muy grande del material quede aislada y no se ponga en contacto para reaccionar electroquímicamente en la celda. A medida que los electrodos se fabrican con un mayor espesor y más cantidad de material activo (normalmente en aplicaciones prácticas hay que lograr una densidad equivalente a fracciones de onza de azufre por cada pulgada cuadrada), el transporte de los iones se vuelve mucho más tedioso y las tensiones mecánicas se disparan.
Simulaciones complejas
Para detectar en detalle los provocadores del deterioro de las prestaciones, los científicos del laboratorio combinan diagnósticos electroquímicos con imágenes de neutrones de alta resolución y tomografías computarizadas. Con la ayuda de instalaciones de punta operadas por el Departamento de Energía, incluidas la Fuente de Neutrones de Espalación y el acelerador nacional SLAC, los expertos pueden ver los cambios químicos y estructurales microscópicos que ocurren dentro de las baterías. Esta información experimental se complementa con modelos computacionales complejos que predicen cómo las decisiones en la fabricación afectarían la imagen del dispositivo. De este modo, el equipo puede priorizar los tipos de diseño más eficientes antes de fabricar físicamente.
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