Desafíos clave (fondo rojo) y posibles soluciones (fondo verde) para LSB de carga rápida. Crédito: Materiales de energía avanzada (2025). Doi: 10.1002/aenm.202404383
Tome un café y su automóvil está completamente cargado, esta es cuántas personas imaginan el futuro de la movilidad. Pero las baterías de hoy aún no alcanzan este ideal. Si bien las baterías modernas de iones de litio pueden cargar del 20% al 80% en aproximadamente 20 a 30 minutos, una carga completa lleva considerablemente más tiempo, y la carga rápida pone un estrés significativo en las celdas.
Un nuevo estudio de revisión internacional publicado En la revista, Advanced Energy Materials ahora muestra cómo las baterías de litio -balas (LSB) podrían superar estas limitaciones.
Investigadores de Alemania, India y Taiwán, coordinados por el Dr. Mozaffar Abdollahifar del Grupo de Investigación del Profesor Rainer Adelung de la Universidad de Kiel (CAU), analizó sistemáticamente cientos de estudios recientes y mecanismos identificados que pueden permitir que los LSB operen de manera estable y eficiente incluso a altas tasas de acusación. Su objetivo: tiempos de carga menores de 30 minutos, idealmente tan bajos como 12 minutos, combinados con una mayor densidad de energía y un rango de manejo extendido.
Baterías de litio -sulfur: más rango, carga más rápida
Los LSB se consideran sucesores prometedores de las baterías convencionales de litio -iones. Mientras que las baterías de iones de litio almacenan y liberan iones de litio dentro de los materiales de electrodos sólidos, los LSB dependen de reacciones químicas que forman nuevos compuestos. Utilizan un ánodo de litio metálico en combinación con un cátodo de azufre, que teóricamente permite una densidad de energía de 2.600 vatios por kilogramo, aproximadamente 10 veces más que los sistemas convencionales. Esto podría permitir que los vehículos eléctricos viajen a distancias significativamente más largas con una sola carga.
Otra ventaja: el azufre es de bajo costo, ampliamente disponible, ecológico y no tóxico, ofreciendo fuertes argumentos económicos para cambiar al azufre como material cátodo.
Desafíos técnicos en la tecnología LSB
Sin embargo, todavía hay obstáculos técnicos para una aplicación amplia. El azufre es un aislante eléctrico y debe combinarse con aditivos conductores, aumentando el peso de la batería. El cátodo también se expande hasta hasta un 80% de expansión de volumen durante la carga y la descarga, lo que puede afectar la estabilidad mecánica y la vida útil de la batería.
Otro problema es el “efecto de transporte”: durante la descarga, se forman polisulfuros de litio solubles y migran al ánodo, donde desencadenan reacciones laterales no deseadas, lo que afectan negativamente la eficiencia y la estabilidad. “Además, las estructuras similares a la aguja conocidas como dendritas pueden crecer en el ánodo de litio-metal, lo que puede causar cortocircuitos y, en el peor de los casos, incendios”, explica el autor principal Jakob Offermann.
Estrategias para cargar rápido con alta seguridad
El estudio analiza específicamente con tiempos de carga particularmente rápidos (de 2C, es decir, menos de 30 minutos) y una alta carga de azufre, es esencial para un uso práctico. Las estrategias clave incluyen:
Diseño del cátodo: las estructuras conductivas de carbono, como los nanotubos, el grafeno o el carbono activado, mejoran el transporte de iones y la utilización de azufre, incluso a altas cargas de materiales. Los carbonos ricos en defectos y dopados ayudan aún más a reducir el efecto de transporte. Materiales catalíticos: los óxidos metálicos, los calcogenuros o los catalizadores de un solo átomo aceleran las reacciones de azufre y mitigan el efecto de transporte. Separadores optimizados: capas separadas funcionales Trap polisulfides y promover el transporte rápido de iones. Nuevos sistemas de electrolitos: los electrolitos altamente concentrados y sólidos, así como los aditivos específicos, mejoran la conductividad, la compatibilidad con el metal de litio y suprimen las reacciones laterales. Anodos estables: las capas protectoras como las estructuras de litio 3D e interfaces artificiales impiden la formación de dendrita. Nuevas formas de azufre: el γ-sulfur monoclínico permite reacciones directas de estado sólido, lo que elimina por completo el efecto de transporte. Desarrollo de materiales utilizando inteligencia artificial: los métodos de IA aceleran el descubrimiento de materiales, predicen el rendimiento de la batería y ayudan a diseñar procesos de carga más eficientes y seguros.
LSB como tecnología clave para el futuro
“Nuestro análisis muestra que la carga rápida en menos de 30 minutos, en algunos casos incluso menos de 15 minutos, es realista y al mismo tiempo mantiene la capacidad”, dice Abdollahifar. “Los prototipos actuales están logrando valores prometedores de aproximadamente 2 mAh por centímetro cuadrado a velocidades de carga prácticas. Sin embargo, para superar realmente las baterías de iones de litio existentes, se requieren aumentos adicionales en la carga y el rendimiento del material”.
El estudio combina ciencia de materiales, electroquímica, nanotecnología e ingeniería de baterías en un enfoque integrado para baterías de carga rápida. Presenta una nueva metodología que sirve como una guía para desarrollar LSB potentes, duraderos y seguros. Con criterios claros y un enfoque sistemático, el estudio proporciona una hoja de ruta práctica para implementar LSB de carga rápida en aplicaciones de movilidad y almacenamiento de energía.
Más información: Jakob Offermann et al, baterías de litio y litio de carga rápida, materiales de energía avanzada (2025). Doi: 10.1002/aenm.202404383
Proporcionado por la Universidad de Kiel
Cita: de 0 a 100 en 12 minutos-Roadmap para baterías de litio-balas (2025, 11 de julio) Recuperado el 11 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07 minutes-roadmap-lithiumsulfur-batteries.html
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