Un equipo de HZB en Dresde y el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos (IWS) obtuvieron nuevos conocimientos sobre las celdas de bolsa de litio-azufre en BAMline de BESSY II. Complementado con análisis y mediciones adicionales en el laboratorio de imágenes de HZB, surge una nueva imagen de los procesos que limitan el rendimiento y la vida útil de este tipo de batería de relevancia industrial. La investigación se publica en la revista Advanced Energy Materials.
Las baterías de litio-azufre tienen muchas ventajas sobre las baterías de litio convencionales: utilizan una gran cantidad de azufre como materia prima, no requieren los componentes críticos de cobalto o níquel y pueden alcanzar densidades de energía específicas extremadamente altas. Las celdas prototipo ya están alcanzando hasta 500 Wh/kg, casi el doble que las baterías de iones de litio actuales.
Se examinó el proceso de degradación.
Sin embargo, las baterías de litio-azufre todavía eran muy susceptibles a los procesos de degradación: durante la carga y descarga, se formaban fases disueltas de polisulfuro y azufre en el electrodo de litio, lo que reducía gradualmente el rendimiento y la vida útil de la batería. “Nuestra investigación tiene como objetivo dilucidar estos procesos para mejorar este tipo de baterías”, afirmó el físico Dr. Sebastian Reese, que dirige un equipo en HZB que trabaja en el análisis del funcionamiento de la batería.
Laboratorio de células celulares en HZB
Se centra en las pilas de bolsa, un formato de batería muy utilizado en la industria. Por ello, el Instituto de Almacenamiento de Energía Electroquímica (CE-IEES) del HZB, dirigido por el profesor Yan Lu, ha creado un laboratorio especializado en la producción de baterías de litio-azufre en el formato de bolsillo necesario. Aquí, los científicos pueden crear e investigar diferentes tipos de células de bolsa de litio y azufre. En el marco del proyecto ‘SkaLiS’, financiado por el BMBF, un equipo del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas (IWS) de Dresde, coordinado por Sebastian Ries, ha publicado en la revista un estudio exhaustivo sobre las células de bolsa de litio-azufre. Materiales energéticos avanzados.
Configuración multimodal
Las celdas de las baterías se estudiaron en una configuración desarrollada en HZB, que incluye espectroscopia de impedancia, distribución de temperatura, mediciones de fuerza e imágenes de rayos X (sincrotrón y fuentes de laboratorio) durante la carga y descarga. Por primera vez pudimos observar y documentar tanto la formación de dendritas de litio como la disolución y formación de cristalitos de azufre durante el funcionamiento de baterías multicapa», afirmó el Dr. Raphael Müller, químico de HZB y primer autor del estudio.
Radiografía de contraste de fases en BESSY II
En particular, la radiografía de contraste de fase con luz de sincrotrón coherente en la línea de luz BAM en BESSY II nos permitió seguir la morfología del único metal de litio que absorbe débilmente y correlacionarlo con otros datos de medición, brindándonos una imagen completa. El análisis de rayos X en el laboratorio de imágenes de HZB, en colaboración con el grupo de imágenes del Dr. Ingo Manek, permitió la formación de cristales de azufre fuertemente absorbentes durante el funcionamiento con batería.
Perspectivas: sistemas de baterías de alta energía
“Nuestros resultados cierran la brecha entre la investigación básica y la transferencia de tecnología y, en particular, permiten tomar decisiones sobre la escalabilidad de esta tecnología de baterías y el desarrollo futuro de sistemas de baterías de alta energía”, afirma Reese. El equipo demostró, entre otras cosas, que un nuevo método de diseño en el IWS Dresden es prometedor: un cátodo poroso y, por tanto, mucho más ligero, no perjudica el rendimiento de las células colectoras de corriente.
Los resultados de este estudio ayudarán a optimizar el rendimiento y la vida útil de las baterías de litio-azufre, de modo que este prometedor tipo de batería pueda satisfacer las necesidades de los sistemas de almacenamiento de energía móviles y estacionarios.