Piles ultralleugers de liti-sofre.

Els diferents prototipus  d'avions elèctrics necessita trobar una bateria adequada.

Per fer possible que  un avió gran de passatgers  s'enlairi, voli milers de  km i aterri, necessitarien de bateries que actualment pesen milers de quilograms, el que significa massa pes. Fins i tot en els avions relativament petits,  l'elevat pes  de les bateries limita la càrrega útil de l’avió, redueix el seu abast i, per tant, limita on pot volar l’aeronau. Reduir el pes de la bateria esdevé com un avantatge no només per a l'aviació, sinó per a altres vehicles elèctrics, com ara cotxes, camions, autobusos i vaixells, que tenen un rendiment directament relacionat amb la relació energia-pes de les seves bateries.

Per a aquestes aplicacions, la tecnologia de la bateria actualment escollida és el de liti, la qual, va arribar a la maduresa anys enrere de manera que, cada nova millora incremental esdevé com una bateria més petita respecta la darrera. 

Un dels principals competidors, és el sofre de liti donat que aquesta tecnologia de bateries és extremadament lleugera: Els models més recents aconsegueixen més del doble de densitat d’energia típica de les bateries d’ions de liti. El sofre de liti també és capaç de proporcionar els nivells de potència i durabilitat necessaris per a l'aviació i, el més important, és segur. 

Fonamentalment, una cèl·lula de sofre de liti es compon de quatre components:

L’elèctrode positiu: Conegut com a càtode, absorbeix electrons durant la descàrrega. Està connectat amb un col·lector de paper d'alumini recobert amb una barreja de carboni i sofre. El sofre és el material actiu que participa en les reaccions electroquímiques. Però es tracta d’un aïllant elèctric, de manera que el carboni, un conductor, lliura electrons fins allà on es necessiten. També s’hi afegeix una petita quantitat d’aglutinant per garantir que el carboni i el sofre s’uneixin al càtode.

L'elèctrode negatiu: Anomenat ànode, allibera els electrons durant la descàrrega. Està connectat amb làmina de liti pur. El liti també actua com a col·lector què també és un material actiu, participant en la reacció electroquímica.

Separador porós: Impedeix que els dos elèctrodes toquin i provoquin un curtcircuit. El separador està banyat en un electròlit que conté sals de liti.

Electròlit: Què facilita la reacció electroquímica permetent el moviment d’ions entre els dos elèctrodes.

Aquests components es connecten i s'envasen en paper per formar la cel·la. Les cel·les estan connectades tant en sèrie com en paral·lel, i formen packs de bateria de 20 A-h iV. Per a un vehicle gran com un avió, es connecten desenes de paquets per crear una bateria capaç de proporcionar l'energia necessària a  centenars de volts.

Quan es descarrega una cèl·lula, els ions de liti de l'electròlit migren cap al càtode, on es combinen amb sofre i electrons per formar un polisulfur, Li2S8. Mentrestant, a l’ànode, les molècules de liti abandonen electrons per formar ions de liti carregats positivament; aquests electrons alliberats es mouen després pel circuit extern –la càrrega– que els porta al càtode. A l'electròlit, el recent  Li2S8 produït, reacciona immediatament amb més ions de liti i més electrons per formar un nou polisulfur, Li2S6. El procés continua, passant per més polisulfurs, Li2S4 i Li2S2 , fins a convertir-se en Li2S. A cada pas es dóna més energia i es passa a la càrrega fins que al final la cel·la esgota l’energia.

La recàrrega inverteix la seqüència: Un corrent aplicat obliga els electrons a fluir en el sentit contrari, fent que l’elèctrode de sofre, o càtode, renunciï als electrons, convertint Li2S en Li2S2. El polisulfur continua afegint àtoms de sofre pas a pas fins que es crea Li2S8 al càtode. I cada vegada que es donen electrons, es produeixen ions de liti que després es difonen a través de l'electròlit, combinant-se amb electrons a l'electrode de liti per formar metall de liti. Quan s'ha convertit tot el Li2S a Li2S8 , la cel·la està totalment carregada.

Aquesta descripció es simplificada. En realitat, les reaccions són més complexes i nombroses, tenint lloc també en l'electròlit i en l'ànode. De fet, per sobre de molts cicles de càrrega i descàrrega, són aquestes reaccions laterals les que provoquen degradació en una cèl·lula de sofre de liti. Minimitzar-los, mitjançant la selecció dels materials i la configuració cel·lulars adequats, és el repte fonamental i subjacent que s’ha de complir per produir una cèl·lula eficient amb una llarga vida útil.

Anatomia d’una bateria

Una cèl·lula de sofre de liti passa per etapes a mesura que es descarrega [a l’esquerra]. En cada etapa, els ions de liti de l'electròlit flueixen cap al càtode, on es formen polisulfurs que tenen relacions entre sulfur i liti cada cop més elevades. La càrrega inverteix el procés. Les cèl·lules estan enllaçades en paquets de bateries, que encaixen en una caixa, juntament amb dispositius de gestió de bateries.

Un dels grans reptes, tant per a les tecnologies d’ions de liti com per a liti-sofre, ha estat la tendència a degradar-se l'ànode en funció dels cicles de càrrega i descàrrega. En el cas dels ions de liti, els ions que arriben a aquest elèctrode, normalment, es queden al metall, procés anomenat intercalació. Però, de vegades, els ions plaquen la superfície, formant un nucli sobre el qual es pot acumular una altra planxa. Durant molts cicles, un filament o dendrita pot créixer fins a arribar a l'elèctrode oposat i fer curtcircuits a la cèl·lula, provocant un sobreeiximent d'energia, en forma de calor que danyarà irreparablement la cèl·lula. Si una cel·la es descompon així, pot provocar que una cèl·lula veïna faci el mateix, iniciant un efecte dominó conegut com a reacció de fugida tèrmica, en un llenguatge comú, vol dir provocar un incendi.

Amb les cèl·lules de sofre de liti, la degradació de l’ànode de liti-metall també és un problema. Tot i això, això es produeix mitjançant un mecanisme molt diferent, que no implica la formació de dendrites. A les cèl·lules de sofre de liti, les densitats desiguals de corrent a la superfície de l’ànode provoquen que el liti es xapi i es desposseixi de forma desigual a mesura que es carrega i descarrega la bateria. Amb el pas del temps, això, provoca dipòsits a  l’ànode que reaccionen amb el sulfur i els polisulfurs de l’electròlit. Aquests dipòsits, es desconnecten elèctricament de l’ànode, deixant menys de la superfície de l’ànode disponible per a la reacció química. Finalment, a mesura que avança aquesta degradació, l’ànode deixa de funcionar, impedint que la cèl·lula accepti càrrega.

El desenvolupament de solucions a aquest problema de degradació és crucial per produir una cèl·lula que pugui funcionar a un nivell elevat en molts cicles de descàrrega i de càrrega. Una prometedora estratègia que s'ha estat perseguint,  consisteix en recobrir l’ànode de liti-metall amb capes fines de materials ceràmics per evitar la degradació. Aquests materials ceràmics han de tenir una gran conductivitat iònica i ser aïllant elèctricament, a més de resistència mecànica i química. Les capes de ceràmica permeten que els ions de liti es passin sense obstacle i s’incorporin a la massa de liti.

De fet, l’avantatge clau de les bateries d’ions de liti sobre els seus predecessors –i del sofre de liti sobre l’ió de liti– és la gran quantitat d’energia que les cèl·lules poden emmagatzemar en una petita quantitat de massa. La bateria de plom que serveis per posa en marxa els motors de combustió interna d’un cotxe pot emmagatzemar al voltant de 50 Wh/kg. Els dissenys típics d’ions de liti poden mantenir entre 100 i 265 Wh/kg, depenent de les altres característiques de rendiment per a les quals s’ha optimitzat, com potència màxima o llarga vida útil. Recentment, es va desenvolupar un prototip de cèl·lula de sofre de liti-sofre que es demostrava una capacitat de 470 Wh/kg i que s'espera arribar a 500 W-h/kg d'aquí a un any. I perquè la tecnologia encara és nova i té marge de millora, no és raonable preveure 600 Wh/kg pel 2025.

Quan els fabricants de cel·les citen xifres de densitat d’energia, generalment especifiquen l’energia que es disposa quan es descarrega la cèl·lula a taxes de potència baixes i constants. En algunes aplicacions, aquestes taxes tan baixes estan bé, però per als molts avions elèctrics previstos que s’enlairaran verticalment, l’energia s’ha d’aportar a majors taxes de potència. Aquesta característica d'alta potència s'ha de canviar per obtenir una capacitat total d'emmagatzematge  d'energia.

A més, el nivell de densitat d'energia assolible en una sola cel·la pot ser considerablement superior al que és possible en una bateria formada per moltes d’aquestes cel·les. La densitat d’energia no es tradueix directament de la cel·la a la bateria perquè les cel·les requereixen del sistema de gestió de la bateria, les connexions i dels sistemes de refrigeració. Com cal controlar el pes, és necessari utilitzar materials compostos avançats per desenvolupar tancaments lleugers, forts i no inflamables.

Si l'embalatge es realitza correctament, la densitat d'energia de la bateria es pot mantenir fins al 80% de la de les cel·les: una cel·la de 450 Wh/kg es pot embalar a més de 360 Wh / kg a la bateria final. Esperem fer-ho millor integrant la bateria a l’aeronau, por ejemplo, fent que l’espai de l’ala faci el doble deure que l’allotjament de la bateria. Esperem que, en fer-ho, arribi al 90%.

Per optimitzar el rendiment de la bateria sense comprometre la seguretat hi ha  un sistema de gestió de bateries (BMS), que és una combinación de programari i maquinari que controla i protegeix la bateria. También inclou algoritmos pe mesurar l'energia que queda en una bateria i d'altres per minimitzar l'energia malgastada durant la càrrega.

Com les cel·les d'ions de liti, les cèl·lules de sofre de liti varien lleugerament les unes de les altres. Aquestes diferències, així com les diferències en la posició de les cel·les en el pack de bateries, poden fer que algunes cel·les funcionin constantment a més temperatura que altres. Amb el temps, aquestes altes temperatures degraden lentament el rendiment, per la qual cosa és important minimitzar les diferències de potència de les  cel·les. Normalment, això s’aconsegueix  mitjançant una senzilla solució d'equilibri, en la qual es connecten diverses resistències en paral·lel amb una cel·la, totes controlades pel programari del BMS.

Fins i tot si es manté la velocitat de càrrega i descàrrega dins de límits segurs, qualsevol bateria pot generar una  excessiva calor. Així, normalment, cal un sistema dedicat de gestió tèrmica. Un cotxe elèctric pot utilitzar refrigeració líquida, però en l'aviació, es preferix molt més el refrigeració per l'aire, ja que aporta menys pes. Per descomptat, la bateria es pot situar en un punt on l'aire naturalment flueixi per la superfície de l'avió. Si és necessari, es pot transmetre aire a la bateria mitjançant conductes. PEr optimizar com fer la refrigeració per aire, s'utilitza una modelització computacional. Per exemple, quan es va introduir aquesta tècnica en un projecte per a un petit avió  d’ala fixa,  va permetre dissenyar un sistema de gestió tèrmica eficaç, sense el qual la bateria assoliria els seus límits de temperatura abans de la seva descàrrega.

Com s'ha assenyalat anteriorment, un pack de bateries està disposat normalment amb les cel·les tant en paral·lel com en sèrie. Tot i això, hi ha més coses per a la disposició de les cel·les. Per descomptat, la bateria és un component crític pels avions electrics, de manera que per millorar la seguretat serà necessari una redundància. Per exemple, el disseny de la bateria en dues parts iguals, de manera que, si la meitat falla, es pot desconnectar, deixant l'aeronau amb energia com un mínim que permeti gestionar els control de vols en un descens i un aterratge.

Un altre component de programari dins del BMS és l'algoritme d'estat de càrrega. Per exemple, si s'ha de conduir un cotxe amb un error en la capacitat de combustible equivalent al 25% de la capacitat del dipòsit, no es deixaria que l’indicador baixés al 25%, per assegurar que el cotxe no s’aturarà. L'autonomia pràtica, seria només de les tres quartes parts de la gamma real del cotxe. Per evitar això cal posar una gran èmfasi en el desenvolupament d'algorismes per saber l'estat de càrrega.

En una bateria d’ions de liti, simplement es pot estimar la càrrega  mesurant el voltatge, que cau a mesura que ho fa el nivell d’energia. Però no és tan senzill en una bateria de sofre de liti. Recordant que en una bateria de sofre de liti, es troben diferents polisulfurs en el procés electroquímic en diferents moments durant la càrrega i la descàrrega. El resultat, es que el voltatge no es  bo per saber l'estat de càrrega i, per complicar les coses una mica més, la corba de la tensió és asimètrica per a la càrrega i la descàrrega. Per tant, els algorismes necessaris per fer un seguiment de l'estat de càrrega són molt més sofisticats. Per això, una manera ha estat desenvolupar tècniques estadístiques, entre elles el filtre Kalman, així com xarxes neuronals, què permeten estimar l'estat de càrrega amb precisió.

Aquestes opcions de disseny, comporten diferents desviacions per a diferents avions. Per això es varia la manera de com es gestionen aquests accessoris per adaptar els dissenys de les bateries per a tres tipus d'avió diferents.

Pseudo-satèl·lits de gran altitud (HAPS): Són avions que volen entre 15.000 i 20.000 metres. Necessiten poder volar durant mesos; actualment, es va assolir per Airbus Zephyr S. en el 2018 una autonomia de 26 dies. De dia, aquests avions fan servir panells solars per alimentar els motors i carregar les bateries; de nit volen gràcies a les bateries. Com que el període de càrrega i descàrrega durant 24 hores només requereix una mica de potència, es pot dissenyar una bateria lleugera i així permetre una gran càrrega útil. 

Els avions elèctrics i d'enlairament verticals (eVTOL): Pensats  com a taxis voladors. Lilium , a Alemanya, i Uber Elevate, entre d'altres, ja tenen aquests projectes en marxa. Un cop més, el pes és crític, però aquí les bateries no només han de ser lleugeres, sinó que també han de ser potents. Per tant, hi han desenvolupades dues versions de la seva química a les cel·les. La versió d’alta energia s’optimitza en molts aspectes del disseny de la cel·la per minimitzar el pes, però es limita a una potència relativament baixa; s’adapta millor a les aplicacions HAPS. La versió d'alta potència pesa més, encara que significativament menys que una bateria d'ions de liti amb un rendiment comparable de manera que, és adequada per a aplicacions com eVTOL.

Avions lleugers d’ala fixa: La demanda creixent de pilots creix contra l’elevat cost de formació. Un avió elèctric, reduiria dràsticament els costos d’operació. Un factor clau és la durada del vol, que permet la bateria més lleugera. Bye Aerospace, a Colorado, és una empresa líder  en aquests avions. A més, altres companyies, com EasyJet, que es van associar amb Wright Electric, planifiquen avions comercials totalment elèctrics per a vols de curta durada (2 hores).

Tres factors determinaran si les bateries de sofre de liti tindran èxit o no:

1.- La correcta integració de les bateries en diversos tipus d'aeronaus. 

2.- El perfeccionament continuat de la química cel·lular. 

3.- La reducció continuada del cost unitari. 

Un avantatge, és que el sofre és prou  barat com els materials, així que hi ha raons per esperar que, amb la fabricació en volum, el cost unitari baixi respecte els dissenys d’ions de liti, tal com es requeriria per a l’èxit comercial.

Font: Oxis Energy