Las baterías de litio y azufre son baterías con ánodos de metal de litio y cátodos de azufre. Se caracterizan por su alta densidad energética gravimétrica, aunque su densidad energética volumétrica es limitada debido a la gran cantidad de azufre que se necesita para el cátodo. El litio-azufre también destaca por su potencial de reducción de costes debido a la abundancia de azufre, así como por su mayor seguridad debido a la no reactividad del azufre.

El litio-azufre ya se está desarrollando en varios continentes y se espera que alcance la producción en masa en 2033. IDTechEx prevé que, para 2035, el mercado del litio-azufre superará los 1300 millones de dólares estadounidenses.

Modos de degradación
El litio-azufre ha sido objeto de esfuerzos de desarrollo en el pasado. Sin embargo, su química se ha visto limitada como resultado de un método de degradación intrínseco: el transporte de polisulfuros. Los polisulfuros de la forma Li2Sx se producen en el cátodo y se transportan al electrolito, lo que provoca la lixiviación de los materiales activos. Estos polisulfuros también pueden llegar al ánodo e iniciar un ciclo de reacciones redox propias, lo que reduce el potencial redox efectivo de la célula. Los polisulfuros también pueden formar una capa insoluble de Li2S en el ánodo, lo que impide el transporte de iones. El efecto general del polysulfide shuttle es reducir significativamente la eficiencia coulómbica de la célula, lo que afecta gravemente a la vida útil de la batería.

La formación de dendritas de litio metálico también es un problema, aunque tiende a ser menos significativo que el polysulfide shuttle. Las dendritas de litio se forman en el ánodo y se filtran al electrolito, reaccionando de forma irreversible y reduciendo el material activo de la célula. Además, durante la carga y la descarga, el cátodo de azufre experimenta una hinchazón significativa, de hasta un 80 % durante la descarga. Esto ejerce una presión considerable sobre la arquitectura del cátodo y puede reducir la conductividad de contacto de la célula en su conjunto debido a la formación y nucleación de grietas.
Soluciones a la degradación

El transporte de polisulfuros se puede contrarrestar de varias maneras. El enfoque más obvio puede ser el uso de un electrolito sólido, ya que esto evita el transporte de polisulfuros. Sin embargo, esto puede provocar una reducción significativa de la conductividad en la interfaz entre el electrolito y el cátodo, ya que el azufre es un mal conductor. Los electrolitos líquidos alternativos son una opción más atractiva. Los polisulfuros son solubles en los electrolitos líquidos utilizados en las baterías de ionen litio con ánodo de grafito. Sin embargo, existen otras soluciones en las que los polisulfuros no son solubles, como los éteres cíclicos, los éteres de cadena corta y los éteres de glicol.

Como alternativa, se puede utilizar una capa separadora o una membrana para evitar el transporte de polisulfuros. La membrana elegida debe ser selectiva, de modo que permita el paso de los iones de litio, pero no de los polisulfuros. Esto se puede conseguir de tres maneras:
Repulsión de cargas: aprovechando el hecho de que los polisulfuros son negativos y los iones de litio son positivos.
Blindaje: bloqueando físicamente los iones para que no entren en contacto directo con los materiales activos, evitando la lixiviación de polisulfuros (por ejemplo, utilizando nanotubos de carbono). Como los polisulfuros son mucho más grandes que los iones de litio, pueden bloquearse selectivamente.
Adsorción: atrapando los polisulfuros en el cátodo mediante materiales que atraen los polisulfuros. Para este método se pueden utilizar microporos.
La expansión del cátodo se puede resolver utilizando estructuras de cátodo alternativas, por ejemplo, celosías tolerantes a la expansión o aglutinantes más fuertes. Los materiales alternativos pueden permitir el desarrollo de estructuras de un solo material sin aglutinantes, lo que mejora significativamente la rigidez del colector de corriente. Un ejemplo es el poliacrilonitrilo sulfurado o SPAN.

Puntos clave

El litio-azufre ha despertado el interés de los principales actores, especialmente LG Chem, aunque desde entonces han guardado silencio. Ahora, la industria está dominada por startups a punto de comercializar sus productos. A continuación se incluyen varios ejemplos:
Lyten comenzó como desarrollador de materiales de grafeno 3D, pero desde entonces se ha centrado en el uso de sus materiales para baterías de litio-azufre. El grafeno 3D se utiliza como sustrato para el cátodo de azufre, lo que permite una mayor conductividad y reduce el efecto del polysulfide shuttle. La empresa tiene como objetivo comercializarlo para aplicaciones aeronáuticas y marítimas a finales de 2025, y ya tiene planes en marcha para una gigafábrica.
theion es una start-up alemana que desarrolla cátodos de azufre formados a partir de una oblea de azufre puro. Las obleas se cultivan directamente a partir de azufre fundido. La tecnología se encuentra aún en fase de desarrollo, pero la empresa está explotando una plataforma de inteligencia artificial para pruebas de baterías con el fin de reducir significativamente el tiempo de comercialización.
Li-S Energy es una empresa australiana que trabaja con litio-azufre. La empresa utiliza nanotubos de nitruro de boro (BNNT) para formar la estructura del cátodo. Esto permite mejorar la resistencia y la conductividad. Li-S ha completado recientemente la construcción de una planta de producción de celdas tipo bolsa de 2 MWh.
La mayor energía específica del litio-azufre, pero su menor densidad energética, lo hacen especialmente adecuado para aplicaciones en aviación, defensa y marítima, especialmente en vehículos aéreos no tripulados (UAV) o drones. Sin embargo, se espera que esta química también se utilice en vehículos eléctricos, especialmente en vehículos eléctricos pesados. IDTechEx prevé que, para 2035, se producirán más de 14 GWh en todo el mundo.

Autor: Daniel Parr, analista tecnológico de IDTechEx