TRANSICIÓN DEL LITIO AL SODIO EN BATERÍAS METAL-AZUFRE: AVANCES HACIA UNA TECNOLOGÍA DE ALTA ENERGÍA BASADA EN ELEMENTOS ABUNDANTES
Código: PID2020-113931RB-I00
Investigador principal: Alvaro Caballero Amores
Convocatoria: Convocatoria 2020 de «Proyectos de I+D+i», en el marco del Programa Estatal de Generación de Conocimiento y Fortalecimiento Científico y Tecnológico del Sistema de I+D+i y del Programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad, del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020.
Entidad Financiadora: GOBIERNO DE ESPAÑA. Ministerio de Ciencia e Innovación 
Periodo de ejecución: 01/09/2021 – 31/08/2024
Miembros participantes: Grupo PAIDI FQM-175 “Química Inorgánica”
Resumen:
En este Proyecto se pretende avanzar en el desarrollo de baterías Na-S en términos de rendimiento (autonomía y vida útil), seguridad, sostenibilidad y escalabilidad con el objetivo de su aplicación en tecnologías que requieran sistemas de almacenamiento de energías con elevadas prestaciones, tales como el transporte o las energías renovables. Estas baterías se encuentran en una fase inicial de investigación y desarrollo donde, a pesar de ser numerosos los retos por superar, la tecnología presenta unas ideales características para los necesarios sistemas de almacenamiento: elevada densidad energética y una configuración basada en elementos de alta abundancia natural. Uno de los problemas cruciales a resolver es el carácter aislante del azufre y se estudia su inmovilización en matrices de carbones funcionalizados o en sistemas covalentes. Para ello se proponen composites integrando S con variadas morfologías y conformaciones de electrodo, con el objetivo de obtener cátodos de alta carga de materia activa, elevada capacidad específica y estabilidad en ciclajes prolongados. Complementariamente, esta estrategia será clave para mitigar los problemas generados por la solubilidad de los polisulfuros (efecto shuttle) y la formación de dendritas en el ánodo, mejorando con ello la estabilidad y seguridad de la batería. El uso de electrolitos líquidos/poliméricos alternativos es también abordado, evitando disolventes orgánicos que pueden originar la explosión de la batería debido a su inflamabilidad. El uso de electrolitos en formato gel y la incorporación de membranas selectivas como separadores se proponen como líneas de trabajo para lograr el objetivo general propuesto. Por otra parte, se plantea la sustitución del sodio metal del ánodo por fases de carbono sodiadas que liberen de manera reversible el ión electroactivo. El uso de materiales alternativos al sodio metálico así como el tratamiento superficial del electrodo metálico impedirá la formación de las dendritas de sodio, reduciendo los graves problemas de estabilidad y seguridad que generan estas formaciones. Los materiales desarrollados se optimizarán en celdas estándar tipo botón a partir de las medidas de capacidades en carga y descarga, pruebas de ciclaje (tiempo de vida de la batería) y respuesta a diferentes densidades de corriente (rate capability). Los componentes optimizados se ensayarán en baterías prototipo pouch cell de tamaño similar a las baterías comerciales. Este estudio se lleva a cabo en colaboración con una empresa española fabricante de baterías recargables, permitiendo discernir la viabilidad para implementar los desarrollos logrados en el proyecto en baterías comerciales de última generación. Estas baterías podrán ayudar a resolver uno de los principales retos que tiene por delante la necesaria transición energética: almacenar de forma eficiente y sostenible la electricidad, permitiendo flexibilizar su producción y garantizar un origen renovable. Estos factores son claves en la consecución del reto social Energía segura, eficiente y limpia, y de las metas marcadas en los ODS asociados a la energía asequible y no contaminante, así como a la acción por el clima.
Financiado por: Proyecto PID2020-113931RB-I00 financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033.
