Un descubrimiento accidental podría cambiar el mundo.

De vez en cuando, la tecnología revolucionaria parece surgir espontáneamente de la nada y cambiar nuestro mundo. La dinamita, la penicilina, las máquinas de rayos X e incluso los microondas son ejemplos de tales revolucionarios descubrimientos accidentales.

Bueno, este año puede que hayamos tenido otro. Sin embargo, esta vez está configurado no solo para revolucionar la forma en que vivimos, sino también para salvar potencialmente a nuestro planeta del cambio climático que se avecina al desbloquear una tecnología difícil de alcanzar: las baterías de litio-azufre.

Nuestra tecnología de batería de elección, iones de litio, tiene algunas desventajas graves.

Durante décadas, hemos estado buscando la mejor tecnología para impulsar nuestro estilo de vida moderno y permitir tecnologías limpias, como los automóviles eléctricos. Desde principios de los años 90, la tecnología de baterías elegida ha sido la de iones de litio.

Alimenta todo, desde teléfonos y Teslas hasta instalaciones de respaldo de la red de energía e incluso satélites. Pero a pesar de que nos han traído al siglo XXI, tienen algunas desventajas graves.

En primer lugar, los materiales que se necesitan para construirlos, como el cobalto, suelen ser muy dañinos para el medio ambiente para la mina. Destruyen vastos ecosistemas e incluso filtran sustancias químicas tóxicas. (En la práctica, también existe una cuestión humanitaria, ya que algunas de las condiciones de trabajo de estas minas son mortales y utilizan mano de obra infantil).

Cobalto puro. Crédito: Alquimista-hp / Wikimedia Commons

Luego está el problema del ciclo de vida. Exigimos tiempos de carga más rápidos de nuestros dispositivos. Esto se aplica a todo, desde teléfonos hasta automóviles. Pero, como le dirá cualquier persona con un teléfono inteligente, las baterías de iones de litio pueden perder rápidamente su capacidad si las carga repetidamente rápidamente.

La degradación de la batería es una preocupación seria, particularmente para el mundo de los vehículos eléctricos. Los vehículos eléctricos de segunda mano a veces pueden ser inútiles si se agota la batería, lo que costará una pequeña fortuna reemplazarla. En general, esto está ralentizando la adopción de EV y también significa que los desechos electrónicos, que ya son un problema considerable, solo empeorarán.

Los vehículos eléctricos modernos se ven frenados por la masa de iones de litio. Crédito: Pantalla / Pexel

También hay un problema de densidad. Los paquetes de iones de litio son relativamente densos en energía, pero siguen siendo bastante pesados, grandes y voluminosos. Esto limita el alcance de los autos eléctricos porque las baterías son muy pesadas y hace que las baterías sean inviables para algunas aplicaciones, como aviones y barcos comerciales eléctricos.

Incluso hay un problema de incendio con las baterías de iones de litio, ya que una celda dañada puede incendiarse espontáneamente y arder intensamente. Solo mire lo que sucedió con algunos de los teléfonos antiguos de Samsung (Note 7) y el Rimac EV que Richard Hammond estrelló.

Esta es la razón por la que los científicos de Drexel estaban investigando un nuevo tipo de batería, conocida como litio-azufre.

Lyten es uno de los pocos fabricantes de baterías de litio-azufre (celda de bolsa a la izquierda). 1 crédito

En la superficie, el litio-azufre parece resolver todos los problemas de los iones de litio. Utiliza materiales mucho menos dañinos para el medio ambiente, puede ser más barato de producir, puede ser hasta tres veces más denso en energía (lo que significa una batería más liviana) y es mucho menos probable que se incendie. Todo sin comprometer las velocidades de carga.

Entonces, ¿cuál es el truco? ¿Por qué no los tenemos ya?

Bueno, tienen un gran problema. Mientras que una batería de iones de litio se puede utilizar durante unos 2000 ciclos de carga, el litio-azufre normalmente se limita a la mitad. Entonces, después de un año o dos de uso adecuado, una batería de litio-azufre está básicamente agotada.

Las baterías de litio-azufre pueden ser más baratas de producir y hasta tres veces más densas en energía que las baterías de iones de litio.

Para resolver esto, el equipo de Drexel estaba probando nuevos enfoques para el litio-azufre, cambiando los compuestos en el cátodo de la batería.

Su objetivo era ralentizar la reacción química que crea polisulfuros cuando la batería se carga y descarga. Estos cristales eliminan eficazmente el azufre del electrodo y, en última instancia, provocan una pérdida masiva de capacidad. Disminuir su velocidad podría hacer que estas baterías muy densas en energía duren más.

El azufre (en la foto de arriba) es clave para el descubrimiento de Drexel. Crédito: Ivar Leidus / Wikimedia Commons

Pero lo que encontraron en cambio fue algo increíble: ¡una fase química de azufre que básicamente detiene la degradación de la batería! Estaban tan conmocionados por este descubrimiento que tuvieron que revisar 100 veces para asegurarse de que no lo estaban leyendo mal.

Esta fase química se conoce como azufre monoclínico en fase gamma, pero solo se había observado en el laboratorio a altas temperaturas, más de 95 °C (203 °F). Esta es la primera vez que se ve a temperatura ambiente.

En la batería, esta fase detiene por completo la reacción que crea los polisulfuros. Esto fue tan efectivo que los científicos sometieron la batería a 4.000 ciclos de carga sin que se perdiera la capacidad, lo que significa que dura al menos el doble que la batería de iones de litio.

¡También vale la pena señalar que su batería era tres veces más densa en energía que la de iones de litio y podía cargarse tan rápido!

Estas baterías pesarán un tercio de las baterías de iones de litio equivalentes y tendrán el doble de vida útil.

Decir que este es un descubrimiento notable es quedarse corto. Pero esta nueva fase de azufre también tiene otros beneficios, como reducir la expansión de la batería y aumentar los márgenes de seguridad. En otras palabras, esta batería tiene todas las características de la última batería del mercado masivo, y estos científicos la encontraron puramente por accidente.

Al igual que con la mayoría de los descubrimientos accidentales, los científicos aún no han descubierto qué está sucediendo realmente. Todavía no saben por qué se crea esta fase de azufre o cómo garantizar que se mantenga así. Por lo tanto, se necesita más investigación para responder a estas preguntas a fin de desarrollar una batería confiable que pueda usarse en miles de millones de computadoras, automóviles eléctricos y similares.

¡Pero valdrá la pena la espera ya que estas baterías pesarán un tercio de las baterías de iones de litio equivalentes y tendrán el doble de vida útil!

Los vuelos de corta distancia, los buques de carga y los transbordadores de pasajeros tendrán una tecnología que les permitirá volverse completamente eléctricos.

Eso significa que los vehículos eléctricos mucho más rápidos y eficientes con alcances de miles de millas serán comercialmente viables a un costo similar al de los vehículos eléctricos actuales. Además, en realidad seguirían siendo útiles dentro de 10 años, reduciendo drásticamente el desperdicio y aumentando la tasa de adopción de vehículos eléctricos.

Además, los vuelos de corta distancia, los buques de carga y los transbordadores de pasajeros contarán con una tecnología que les permitirá volverse completamente eléctricos. El ahorro de peso, la larga vida útil y el precio competitivo significarán que estos sectores finalmente podrán alcanzar sus objetivos de bajas emisiones de carbono.

En resumen, las baterías de litio-azufre podrían permitir que una gran variedad de actividades se vuelvan eléctricas, haciendo que las emisiones netas cero sean mucho más factibles.

Increíblemente, se pone aún mejor.

Los depósitos de azufre tiñen de amarillo los lagos de Yellowstone. Crédito: Lukas Kloeppel / Pexel

El litio, el azufre y otros materiales que componen esta nueva batería son abundantes en toda la Tierra. Esto significa que podemos minimizar drásticamente el impacto ecológico de la minería, así como garantizar una cadena de suministro más sólida.

Pero ese no es el final de este descubrimiento. El equipo de Drexel ya está estudiando la posibilidad de utilizar este avance para fabricar baterías de azufre y sodio . Al eliminar la necesidad de litio, pueden hacer que las baterías sean aún más ecológicas y eliminar un cuello de botella masivo en la cadena de suministro, lo que garantiza que la adopción de EV pueda continuar a las velocidades vertiginosas que los fabricantes de automóviles planean.

Este descubrimiento accidental en Drexel está destinado a revolucionar el uso de energía del mundo y ayudar a la humanidad a hacer la transición hacia una sociedad más limpia y neutral en carbono. Esperemos que el equipo de Drexel pueda sacar esta tecnología del laboratorio y ponerla en nuestras manos pronto.

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  • Baterías TankTwo String Cell™.

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