El equipo HZB ha logrado un avance significativo en el campo de la fabricación ecológica, empleando por primera vez un método no destructivo para estudiar baterías de bolsillo prácticas de litio-azufre que utilizan electrolito escaso. Los resultados de la investigación, publicados en la revista Advanced Energy Materials, ofrecen valiosas perspectivas sobre los mecanismos de fallo de las baterías, ayudando a diseñar baterías de litio-azufre compactas y de alta densidad energética que cumplan con los requisitos de aplicaciones industriales.

Las baterías de litio-azufre (Li-S), una tecnología de baterías de próxima generación muy prometedora, poseen una densidad de energía gravimétrica extremadamente alta, superior a 700 Wh/kg (las baterías de iones de litio más avanzadas rondan los 250 Wh/kg). Son muy atractivas para aplicaciones aeroespaciales, robótica y vehículos eléctricos de gran autonomía. Además, el abundante y económico recurso del azufre podría reemplazar metales críticos y geopolíticamente sensibles (como el cobalto y el níquel) utilizados en las baterías de iones de litio.

Sin embargo, la densidad de energía práctica de las baterías Li-S se ve limitada por la alta fracción de peso de materiales inactivos como el electrolito. Reducir la cantidad de electrolito puede aumentar la densidad de energía a nivel de batería, pero conlleva dificultades para humedecer los electrodos, interfiere en los procesos electroquímicos y acelera el envejecimiento o incluso el fallo de la batería. La profesora Yan Lu, química del HZB, señala que observar de manera no destructiva la calidad del humedecimiento del electrolito dentro de la estructura cerrada de una batería es un gran desafío.

Para abordar este problema, el equipo de Lu diseñó y realizó experimentos in situ con una batería de bolsillo multicapa. Esta batería de bolsillo multicapa de Li-S se fabricó en el laboratorio de ensamblaje de celdas de bolsillo del HZB utilizando electrolito escaso y siguiendo parámetros relevantes para la industria. Los doctores Ingo Manke y Nikolay Kardjilov, del grupo de imágenes del HZB, utilizaron neutrones en el Instituto Laue-Langevin de Grenoble para localizar con la máxima precisión elementos ligeros como el litio y el hidrógeno, visualizando en tiempo real la distribución y el humedecimiento del electrolito líquido sobre los electrodos multicapa durante los procesos de carga y descarga.

El estudio observó por primera vez el comportamiento en tiempo real del electrolito líquido y los cambios locales en la humectabilidad a lo largo del tiempo en diferentes capas de la batería de bolsillo. Durante la fase de reposo en circuito abierto, se observó la acumulación local de áreas no humedecidas, especialmente al inicio del reposo, mientras que los periodos prolongados de reposo tenían poco impacto en la humectabilidad global del electrolito. Por el contrario, los procesos de descarga/carga mejoraron significativamente la uniformidad del electrolito, promoviendo la activación electroquímica del azufre y aumentando la capacidad de la batería. El equipo también observó por primera vez un singular comportamiento de humectación de "inhalación" y "exhalación", un proceso periódico de humectación del electrolito relacionado con la disolución y precipitación de compuestos de azufre.

El Dr. Liqiang Lu, investigador postdoctoral en el equipo de Yan Lu y primer autor del artículo, indicó que la química del sistema Li-S es diferente y su comportamiento dinámico de humectación del electrolito difiere significativamente del de las baterías de iones de litio tradicionales. Yan Lu afirmó que estas perspectivas son cruciales para comprender los mecanismos de envejecimiento rápido y fallo de las baterías de litio-azufre, y ayudarán a mejorar su densidad energética manteniendo su vida útil.