Strategies in advanced materials for the transition from Lithium to Sodium in Metal–Sulfur batteries

El cambio climático y el calentamiento global exigen una transición energética basada en energías renovables, lo que plantea retos de almacenamiento para garantizar estabilidad en la red y electrificación del transporte. Entre las tecnologías disponibles, las baterías son esenciales por su alta densidad energética, siendo las de ion-litio (Li-ion o LIBs) las más extendidas en dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos. Sin embargo, estas presentan limitaciones como problemas de seguridad, vida útil restringida, dependencia de metales escasos y densidad energética insuficiente. Ante ello, la investigación busca alternativas más eficientes y sostenibles. Entre las opciones, el azufre ha cobrado protagonismo por su abundancia, baja toxicidad y potencial para desarrollar baterías Metal-Azufre (Metal-S), como las de Litio-Azufre (Li-S) y Sodio-Azufre a temperatura ambiente (RT/Na-S). Estas ofrecen capacidades específicas y densidades energéticas superiores gracias a sus reacciones multielectrónicas, además de costos potencialmente más bajos. No obstante, aún enfrentan desafíos como la baja conductividad del azufre, los cambios de volumen durante el ciclo de carga-descarga y el efecto shuttle de polisulfuros. La tesis doctoral titulada “Estrategias en materiales avanzados para la transición del Litio al Sodio en baterías Metal-Azufre”, dirigida en la Universidad de Córdoba, se centra en superar estas limitaciones mediante el diseño de cátodos innovadores para sistemas Li-S y RT/Na-S. La tesis doctoral aborda un primer capítulo con introducción a las energías globales, fundamentos de baterías y limitaciones de las LIBs, junto con el análisis de tecnologías Metal-S y sus retos. En el capítulo II se detallan los objetivos generales y específicos. En el capítulo III de especifica la metodología empleada para la síntesis de materiales, preparación de electrodos y caracterización electroquímica. En el capítulo IV de muestran los principales resultados organizados en las publicaciones científicas Entre los principales aportes destacan cuatro estrategias innovadoras: Grafeno derivado de etanol por plasma de microondas como matriz catódica para Li-S, que mitiga el shuttle y estabiliza la estructura, logrando hasta 1000 ciclos con alta eficiencia. Aglutinantes sostenibles de residuos de cera de queso, que superan al estándar PVDF, mejorando la estabilidad estructural del cátodo y permitiendo un ciclaje prolongado. Poliacrilonitrilo sulfurado (SPAN) como cátodo en baterías RT/Na-S, sintetizado mediante un método sencillo y no tóxico. Su estructura covalente con el azufre evita polisulfuros de cadena larga, alcanzando gran estabilidad durante 1000 ciclos. Poliisopreno sulfurado (SPI) como cátodo en RT/Na-S, con hasta un 50% de azufre covalentemente unido, lo que suprime el shuttle y asegura retención de capacidad entre 98-99% tras largo ciclaje. Además, demostró excelente resistencia a la autodescarga y gran integridad morfológica. En los capítulos posteriores, la tesis resume conclusiones globales, destacando avances significativos en la mejora de cátodos para tecnologías Metal-S y su potencial para sustituir a las LIBs. Asimismo, se presentan perspectivas futuras enfocadas en la comercialización de estas baterías, junto con la producción científica generada y su difusión en congresos internacionales. En síntesis, esta investigación contribuye al desarrollo de baterías más limpias, económicas y sostenibles, con especial énfasis en el tránsito del litio al sodio, lo que podría marcar un hito en el almacenamiento energético y la consolidación de un sistema energético descarbonizado.