En los últimos años, se han reportado celdas prototipo de Li-S que alcanzan los 350-400 Wh/kg, si bien la vida útil de las mismas sigue siendo la principal limitación, ya que no alcanzan más de 100 ciclos de carga/descarga. Para cumplir los requisitos necesarios para su aplicación a gran escala, es imperativo mejorar la estabilidad de las celdas y así aumentar su vida útil.

En este sentido, el proyecto LISA nació con el objetivo de desarrollar celdas de Li-S tipo pouch de 20 Ah con altas energía gravimétrica (450 Wh/kg) y densidad de energía volumétrica (700 Wh/L), así como seguridad y estabilidad durante al menos 1000 ciclos. Además, el objetivo es fabricar prototipos de celdas cilíndricas de 3 Ah 21700, para cubrir la demanda de formatos de celda más pequeños con prestaciones similares a las de las celdas tipo pouch más grandes.

Para alcanzar estos objetivos tan ambiciosos, se creó un sólido consorcio multidisciplinar, que incluye a CIC energiGUNE, con 13 socios de 6 países europeos diferentes, como Fraunhofer IWS, Varta Microbattery, Renault o VDL, y la institución española LEITAT como coordinadora del proyecto.

Se diseñaron 12 paquetes de trabajo (WP) que cubren todos los aspectos relevantes de la batería Li-S. Asegurar la estabilidad del ánodo de metal de litio, el desarrollo de cátodos de alta capacidad y diseñar nuevas estrategias para la implementación de electrolitos híbridos de alto rendimiento son las tareas principales del proyecto.

El papel de CIC energiGUNE en LISA

En este contexto, CIC energiGUNE desempeña un papel fundamental liderando el paquete de trabajo dedicado al desarrollo de un material dieléctrico como electrolito de estado sólido para celdas Li-S de alto rendimiento, un componente clave del concepto de celda propuesto en LISA.

El paquete de trabajo tiene como objetivo la integración en las celdas Li-S finales de una capa delgada en estado sólido conductora de iones de litio, reduciendo así la cantidad de electrolito líquido necesario y aumentando la densidad energética del sistema. Además, esta película también puede actuar como capa protectora contra el crecimiento de dendritas en el ánodo de litio metal, uno de los retos más importantes de esta tecnología para conseguir una larga vida útil de las baterías Li-S.

Junto con el socio francés Arkema, que desarrolló los materiales de partida para la fabricación del electrolito sólido, y gracias al apoyo de la línea de prototipado de CIC energiGUNE y las instalaciones disponibles en la sala seca (en concreto, equipo de comma bar roll-to-roll para el recubrimiento a gran escala de diferentes sustratos), pudimos fabricar > 100 m de capa fina de electrolito, que se utilizará en el montaje de las celdas finales de Li-S en formato pouch (Figura 1). De hecho, la fabricación a gran escala de la capa delgada de electrolito representa uno de los avances más relevantes logrados en el proyecto.

Figura 1. (a) Imagen de la máquina de recubrimiento de comma bar utilizada en este proyecto. (b) Imágenes del recubrimiento de película fina sobre un sustrato de prueba.

Además, CIC energiGUNE también contribuye de forma importante al desarrollo del ánodo de litio. En este caso, el objetivo principal es obtener películas finas de litio para usarlas como ánodo de altas prestaciones en las celdas Li-S finales. De esta manera, se logra optimizar la cantidad de litio por celda y, por tanto, influir en la densidad energética final. Las tareas no sólo se centran en la deposición del litio, sino también en la integración de capas protectoras de estado sólido sobre el mismo.

La innovación más relevante en este paquete de trabajo está asociada a la fabricación a gran escala de estas capas protectoras mediante una técnica puntera de deposición de capas delgadas como es la Deposición por Láser Pulsado (PLD, por sus siglas en inglés), llevada a cabo por el socio finlandés de LISA, Pulsedeon.

En el flujo de trabajo, CIC energiGUNE se encarga de la caracterización estructural y electroquímica de las capas finas preparadas, utilizando técnicas como el análisis de difracción de rayos X (XRD), la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), el microscopio electrónico de barrido (SEM) o la Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS) (Figura 2). Las instalaciones punteras y la gran experiencia de CIC energiGUNE en la caracterización de superficies y películas finas están siendo fundamentales para la consecución de los objetivos del paquete de trabajo.

Figure 2. Some of the key characterization equipment used at CIC energiGUNE for LISA project: (a) SEM, (b) XPS, (c) XRD.

La capa delgada conductora de iones de litio desarrollada como electrolito y los ánodos de litio protegidos por estas capas delgadas estables, combinadas con un cátodo de alta carga de azufre desarrollado en paralelo dentro del proyecto por el socio alemán Fraunhofer IWS, se fusionarán finalmente en la celda Li-S final, en un dispositivo que proporcione alta seguridad, alta densidad energética y larga vida útil.

De esta forma, las celdas de Li-S podrían integrarse como soporte energético en dispositivos tan diversos como drones, camiones y aviones eléctricos, satélites e instalaciones estacionarias de almacenamiento de energía, etc. Es más, VDL, uno de los socios principales de LISA, tiene el objetivo de integrar las celdas desarrolladas en autobuses eléctricos. Esto permitiría aumentar potencialmente la cuota de baterías Li-S en el mercado.

Por último, pero no por ello menos importante, los avances del proyecto allanarán el camino hacia la consecución de celdas de Li-S de alto rendimiento en estado sólido en el futuro.

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