Baterías de litio-azufre para futuros programas espaciales
Hoy en día, las baterías en los programas espaciales se utilizan principalmente como fuentes de energía de respaldo, cuando los dispositivos están a la sombra y no pueden recibir energía de los paneles solares, o en trajes espaciales para salir al espacio exterior. Pero los tipos de baterías que se usan hoy en día (Li-ion, Ni-H 2 ) tienen varias limitaciones. En primer lugar, son demasiado engorrosos, ya que no se da preferencia a la intensidad de la energía, sino a la seguridad, como resultado de múltiples mecanismos de protección para reducir el volumen no contribuye en absoluto. Y en segundo lugar, las baterías modernas tienen límites de temperatura, y en futuros programas, dependiendo de la ubicación, las temperaturas pueden variar de -150 ° C a +450 ° C.
FuenteAdemás, no olvide el aumento de la radiación de fondo. En general, las baterías futuras para la industria espacial no solo deben ser compactas, duraderas, seguras y de gran consumo de energía, sino que también deben funcionar a temperaturas altas o bajas, así como en condiciones de mayor radiación de fondo. Naturalmente, hoy no existe una tecnología tan mágica. Sin embargo, hay avances científicos prometedores que intentan acercarse a los requisitos para futuros programas. En particular, me gustaría hablar sobre una dirección en la investigación, que es apoyada por la NASA en el marco del programa Game Changing Development (GCD).Dado que combinar todas las especificaciones anteriores en una batería es una tarea difícil, el objetivo principal de la NASA hoy es obtener baterías más compactas, que consuman más energía y sean más seguras. ¿Cómo lograr este objetivo?Para comenzar, para aumentar significativamente el consumo de energía por unidad de volumen, se necesitan baterías con materiales fundamentalmente nuevos para electrodos, ya que las capacidades de las baterías de iones de litio (iones de litio) están limitadas por las capacidades de los materiales para el cátodo (aproximadamente 250 mAh / g para óxidos) y el ánodo ( aproximadamente 370 mAh / g para grafito), así como los límites de voltaje en los que el electrolito es estable. Y una de las tecnologías que permite aumentar la capacidad utilizando reacciones fundamentalmente nuevas en lugar de la intercalación en los electrodos son las baterías de litio-azufre (Li-S), cuyo ánodo contiene litio metálico, y el azufre se utiliza como material activo para el cátodo. El funcionamiento de una batería de litio-azufre es algo similar al funcionamiento de una batería de iones de litio: los iones de litio están involucrados en la transferencia de carga, tanto allí como allí. Pero a diferencia del ion de litio, los iones en Li-S no se integran en la estructura en capas del cátodo,y entra en la siguiente reacción con él:2 Li + S -> Li 2 S
Aunque en la práctica, la reacción en el cátodo se ve así:S 8 -> Li 2 S 8 -> Li 2 S 6 -> Li 2 S 4 -> Li 2 S 2 -> Li 2 S
FuenteLa principal ventaja de una batería de este tipo es su alta capacidad, que es 2-3 veces mayor que la capacidad de las baterías de iones de litio. Pero en la práctica, no todo es tan color de rosa. Al recargar, los iones de litio se depositan en el ánodo como horribles, formando cadenas de metal (dendritas), que finalmente conducen a un cortocircuito. Además, las reacciones entre el litio y el azufre en el cátodo conducen a grandes cambios en el volumen del material (hasta el 80%), de modo que el electrodo se destruye rápidamente y los compuestos de azufre en sí mismos son malos conductores, por lo que se debe agregar mucho material de carbono al cátodo. Y por último, y lo más importante, los productos de reacción intermedios (polisulfuros) se disuelven gradualmente en el electrolito orgánico y "viajan" entre el ánodo y el cátodo, lo que conduce a una autodescarga muy fuerte.Pero todos los problemas anteriores están tratando de resolver un grupo de científicos de la Universidad de Maryland (UMD), que ganó una beca de la NASA. Entonces, ¿cómo llegaron los científicos a la solución de todos estos problemas? En primer lugar, decidieron "atacar" uno de los principales problemas de las baterías de litio-azufre, a saber, la autodescarga. Y en lugar de un electrolito orgánico líquido, que, como se mencionó anteriormente, disuelve gradualmente los materiales activos, utilizaron un electrolito cerámico sólido, o más bien Li 6 PS 5 Cl, que conduce los iones de litio bastante bien a través de su red cristalina.Pero si los electrolitos sólidos resuelven un problema, también crean dificultades adicionales. Por ejemplo, los grandes cambios en el volumen del cátodo durante la reacción pueden conducir a una rápida pérdida de contacto entre el electrodo sólido y el electrolito, y a una fuerte disminución de la capacidad de la batería. Por lo tanto, los científicos propusieron una solución elegante: crearon un nanocompuesto que consta de nanopartículas del material activo del cátodo (LI 2 S) y electrolito (Li 6 PS 5 Cl) encerrado en una matriz de carbono.FuenteEste nanocompuesto tiene las siguientes ventajas: en primer lugar, la distribución de nanopartículas de un material que cambia de volumen durante la reacción con litio en carbono, cuyo volumen permanece prácticamente sin cambios, mejora las propiedades mecánicas del nanocompuesto (ductilidad y resistencia) y reduce el riesgo de agrietamiento. Además, el carbono no solo mejora la conductividad, sino que tampoco interfiere con el movimiento de los iones de litio, ya que también tiene una buena conductividad iónica. Y debido al hecho de que los materiales activos están nanoestructurados, el litio no tiene que viajar largas distancias para reaccionar, y todo el volumen del material se usa de manera más eficiente. Por último, el uso de dicho compuesto mejora el contacto entre el electrolito, el material activo y el carbono conductor.Como resultado, los científicos obtuvieron una batería completamente sólida con una capacidad de aproximadamente 830 mAh / g. Por supuesto, es demasiado pronto para hablar sobre el lanzamiento de dicha batería al espacio, ya que dicha batería funciona solo durante 60 ciclos de carga / descarga. Pero al mismo tiempo, a pesar de una pérdida de capacidad tan rápida, 60 ciclos ya es una mejora significativa con respecto a los resultados anteriores, ya que antes de eso, las baterías de litio-azufre sólidas no funcionaban durante más de 20 ciclos. También debe tenerse en cuenta que dichos electrolitos sólidos pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas (por cierto, funcionan mejor a temperaturas superiores a 100 ° C), por lo que los límites de temperatura de tales baterías serán más probables debido a los materiales activos que al electrolito, lo que distingue dichos sistemas de baterías que usan soluciones orgánicas como electrolito. Source: https://habr.com/ru/post/es398529/
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