Un equipo del HZB de Dresde y del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos (IWS) ha obtenido nuevos conocimientos sobre las células 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. El estudio se publica en la revista Advanced Energy Materials.
Las baterías de litio-azufre tienen muchas ventajas sobre las baterías de litio convencionales: utilizan abundante materia prima de azufre, no requieren los elementos críticos de cobalto o níquel y pueden alcanzar densidades de energía muy específicas. 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 han sido hasta ahora muy sensibles a los procesos de degradación: durante la carga y descarga, se forman polisulfuros disueltos y fases de azufre en el electrodo de litio, lo que reduce gradualmente el rendimiento y la vida útil de la batería. “El objetivo de nuestra investigación es aclarar estos procesos para optimizar este tipo de batería”, afirma el físico Dr. Sebastian Rice de HZB, que dirige el equipo que trabaja en el análisis de operando de baterías en HZB.
Laboratorio de células de bolsa en HZB
Se centra en las pilas de bolsa, un tipo de batería ampliamente utilizada en la industria. Por ello, el Instituto de Almacenamiento de Energía Electroquímica (CE-IEES) de HZB, dirigido por el profesor Yan Lu, ha creado un laboratorio especializado en la producción de baterías de litio-azufre en la forma de bolsillo deseada. Aquí, los científicos pueden desarrollar e investigar una amplia variedad de células de bolsa de litio y azufre. Como parte del proyecto ‘SkaLiS’, financiado por el BMBF y en colaboración con Sebastian Risse, un equipo del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas (IWS) de Dresde ha publicado un conjunto completo de células tipo bolsa de litio y azufre en la revista The El estudio ha sido publicado. Alto contenido energético.
Configuración multimodal
Las celdas de la batería se estudiaron en una instalación desarrollada en HZB utilizando diversos métodos, como espectroscopia de impedancia, distribución de temperatura, medición de fuerza e imágenes de rayos X (sincrotrón y fuente 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 una batería multicapa», afirma el Dr. Raphael Muller, químico de HZB y primer autor del estudio.
Radiografía de contraste de fases en BESSY II.
En particular, la radiografía de contraste de fases con luz de sincrotrón integrada en la línea de luz BAM del BESSY II nos permitió seguir la morfología del metal de litio que absorbe sólo débilmente y correlacionarlo con otros datos de medición, de los que obtenemos una imagen completa. Los análisis de rayos X en el laboratorio de imágenes de HZB, realizados en colaboración con el grupo de imágenes del Dr. Ingo Mannke, también permitieron la formación de cristales de azufre muy absorbentes durante el funcionamiento de la 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 sacar conclusiones sobre la escalabilidad de esta tecnología de baterías y el desarrollo futuro de sistemas de baterías de alta energía”, afirma Risse. El equipo demostró, entre otras cosas, que un nuevo enfoque de diseño del IWS Dresden es prometedor: un colector de corriente catódico perforado y, por tanto, mucho más ligero, no afecta al rendimiento de la celda.
Los resultados de esta investigación ayudarán a mejorar 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.
