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Nov 03, 2023

La promesa de un litio

Impulsando el cambio De bajo costo y alta densidad, una batería de litio-azufre podría

Cambio de conducción

De bajo costo y alta densidad, una batería de litio-azufre podría impulsar el futuro del transporte, si alguna vez llega al mercado.

Por Katie Fehrenbacher

7 de marzo de 2023

Lyten, una startup con sede en California, está desarrollando una batería de litio y azufre. Las empresas y los científicos se esfuerzan por descifrar el código de una batería innovadora que podría ser la siguiente en la línea después del ion de litio. Imagen vía Shutterstock/T. Schneider

El elemento azufre es barato y abundante. Hay tanto en la Tierra que grandes pilas amarillas del material comúnmente se encuentran fuera de las refinerías de combustibles fósiles después de haber sido despojado de petróleo y gas natural.

Pero los electroquímicos, científicos que investigan cómo las reacciones químicas crean electricidad, han visto durante mucho tiempo al azufre como una perspectiva tentadora para el almacenamiento de energía increíble. Esto se debe a que la combinación de litio y azufre tiene el potencial de crear una batería extraordinaria que podría almacenar más energía y fabricarse de manera más económica que las baterías de iones de litio que se usan hoy en día en las computadoras portátiles y los vehículos eléctricos.

Una batería comercial de litio-azufre podría hacer de la "electrificación algo abundante", donde "es fácil electrificar todo", dijo Celina Mikolajczak, directora de tecnología de baterías de la startup Lyten, en la Cumbre de Finanzas de Nueva Energía de Bloomberg en San Francisco en enero. Lyten está desarrollando una batería de litio-azufre.

Las baterías de iones de litio actuales se ven obstaculizadas por el suministro limitado de níquel. El cobalto, otro ingrediente clave en las baterías de iones de litio actuales, se extrae principalmente en la República Democrática del Congo, donde las minas de cobalto están plagadas de problemas de derechos humanos. La idea es que la abundancia de azufre y el bajo costo podrían hacer que una batería de litio-azufre sea mucho más barata y menos dependiente de regiones problemáticas que el paquete actual de baterías de iones de litio, que cuesta alrededor de $ 150 por kilovatio-hora.

Al mismo tiempo, el uso de azufre en una batería podría proporcionar una densidad de energía súper alta teórica, o la cantidad de energía que la batería puede contener con una sola carga. Los vehículos eléctricos de hoy en día pueden conducir alrededor de 300 millas por carga, pero una batería de litio-azufre podría potencialmente duplicar ese rango, o crear un vehículo eléctrico que tenga la mitad del peso del equivalente alimentado por iones de litio.

Al menos estas son las grandes esperanzas. Las baterías de litio-azufre todavía están confinadas a los laboratorios de investigación.

Pero a medida que el dinero fluye hacia un sector emergente de baterías de EE. UU. a partir de la Ley de Reducción de la Inflación, las empresas y los científicos se esfuerzan por descifrar el código para desarrollar una batería innovadora que podría ser la siguiente en la línea después del ion de litio. En juego está la tecnología que podría acelerar tanto los vehículos eléctricos como el almacenamiento de energía limpia.

La gran pregunta es si una empresa puede desarrollar y fabricar una batería de litio-azufre que funcione como se anuncia cuando se fabrica en grandes volúmenes. Si bien las nuevas empresas, los investigadores y las grandes compañías de baterías están trabajando en la química, no se fabrican comercialmente baterías de litio-azufre a escala.

"El azufre es rebelde. El litio es rebelde. Cuando juntas estos dos elementos, obtienes una química con la que es realmente difícil trabajar", dijo Mikolajczak en la cumbre de BNEF. "Hay una razón por la que esta química no se ha explotado durante mucho tiempo".

Un problema es que el azufre, utilizado como cátodo de la batería de litio-azufre, pasa por un cambio de fase a medida que se carga y descarga. Se mueve de un sólido a un líquido y de nuevo a un sólido de nuevo. Eso lo hace realmente "quisquilloso", dijo Mikolajczak. "Es doloroso trabajar con él. Te hace explotar la cabeza".

Los primeros intentos de baterías de litio-azufre vieron cómo el compuesto de azufre se disolvía en el electrolito, el medio (generalmente líquido) a través del cual los iones se cargan y descargan.

Muchos intentos de desarrollar baterías de litio-azufre han terminado con baterías de bajo funcionamiento que desarrollan dendritas, pequeñas estructuras metálicas que pueden formarse durante el proceso de carga. Las dendritas provocan cortocircuitos y fallas en las baterías, y las baterías de litio-azufre han tenido problemas para mantener ciclos de carga elevados.

La empresa de Mikolajczak, Lyten, una startup de 8 años con sede en San José, California, puede fabricar una forma arrugada de grafeno que, según dice, es excelente para mantener unido el azufre en la batería y, al mismo tiempo, actuar como conductor. La compañía dice que ha visto resultados prometedores en sus pruebas, y Mikolajczak le dijo a GreenBiz en una entrevista que espera que Lyten pueda desarrollar "una celda de batería respetable" en aproximadamente un año. No será en grandes volúmenes, pero los primeros clientes podrán usarlo, dijo. Lyten planea vender las baterías a fabricantes de automóviles y fabricantes de drones y vehículos voladores.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne también han logrado recientemente algunos avances en la batería de litio-azufre. Los científicos de Argonne crearon una capa porosa que contiene azufre dentro de la batería que puede ayudar a proteger los materiales de la destrucción de las dendritas.

En el laboratorio, la batería de litio-azufre de Argonne pudo cargarse y descargarse 700 veces, lo que es competitivo con las baterías de iones de litio actuales. El equipo científico de Argonne pudo ver el éxito de la capa dentro de la celda de litio-azufre mediante el uso de una máquina de difracción de rayos X de última generación en uno de los laboratorios de Argonne. Es una herramienta de vanguardia de mil millones de dólares.

El científico de Argonne, Guiliang Xu, uno de los autores de un artículo reciente, le dijo a GreenBiz que Argonne planea trabajar con el sector privado para comercializar la tecnología y construir una batería prototipo.

Por supuesto, Estados Unidos no es el único lugar donde los investigadores están tratando de desbloquear el código de litio-azufre. La Unión Europea financió el proyecto LISA, que acaba de concluir, y analizó el desarrollo de innovaciones en torno al diseño de celdas de baterías de litio y azufre.

El gigante coreano LG, a través de su división de energía LG Energy Solution, ha dicho que planea tratar de comercializar una batería de litio-azufre en 2025. Una startup alemana llamada Theion dice en su sitio web que también está tratando de comercializar una batería de litio-azufre. pronto.

Con los nuevos fondos disponibles de la IRA recientemente aprobada, las empresas estadounidenses podrían estar listas para capitalizar el apoyo del gobierno y el creciente mercado de vehículos eléctricos.

Mikolajczak de Lyten calificó al IRA como "enorme" para el desarrollo de nuevas baterías. "La fabricación de baterías requiere mucho capital. [Los subsidios del IRA] brindan a todos muchas más oportunidades de luchar", dijo Mikolajczak a GreenBiz.

Al mismo tiempo, los fabricantes de automóviles se están volviendo más agresivos cuando se trata de invertir en tecnología de baterías y cadena de suministro de baterías. Compañías como GM, Daimler y Ford se están asociando con nuevas empresas prometedoras de baterías y proveedores de minerales para baterías. Otras compañías de vehículos eléctricos puras, como Tesla y BYD, han invertido mucho en su tecnología de baterías durante mucho tiempo.

Las nuevas empresas de tecnología climática parecen ser relativamente más inmunes a los temores de recesión y los despidos que sus contrapartes de nuevas empresas de TI. Los inversionistas privados continúan financiando nuevas empresas de tecnología climática, incluidos los fabricantes de baterías como Lyten, que ha recaudado más de $ 200 millones en fondos hasta la fecha.

A pesar de las innovaciones y la financiación recientes, las baterías de litio-azufre aún tienen un largo camino por recorrer. La batería de iones de litio actual que alimenta la revolución EV actual se ha beneficiado de 30 años de progreso. Espere muchos años, si no décadas, antes de que se use un paquete de baterías de litio-azufre en un automóvil como el principal de Tesla o GM.

Es probable que las primeras baterías de litio-azufre terminen en vehículos y dispositivos que deben ser súper livianos. Debido a que la batería de litio-azufre tiene el doble de densidad de energía, podría alimentar un vehículo con la mitad del peso.

Ese peso ligero podría ayudar a determinar los primeros clientes. Cuando las baterías de litio-azufre finalmente salgan del laboratorio, no deberíamos esperar que las primeras estén impulsando automóviles en las carreteras. En cambio, probablemente serán drones y pequeños vehículos voladores en los cielos.

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