Avances en rendimiento y sostenibilidad de baterías metal-azufre: materiales funcionales para la transición del litio al sodio

Abstract

La transformación digital, el crecimiento de infraestructuras basadas en inteligencia artificial, la expansión de los centros de datos y la electrificación del transporte han incrementado drásticamente la demanda de energía eléctrica y de sistemas eficientes de almacenamiento. En este escenario, las baterías son esenciales no solo para dispositivos electrónicos, sino también para infraestructuras críticas y vehículos eléctricos. Sin embargo, el sistema energético actual exige alternativas sostenibles que garanticen seguridad, estabilidad y menor impacto ambiental. Las baterías de ion litio (LIBs) han liderado el mercado gracias a su alta densidad de energía, eficiencia y fiabilidad. Su desarrollo (reconocido con el Premio Nobel de Química en 2019) permitió avances fundamentales en electrónica portátil y movilidad eléctrica. No obstante, su expansión global revela importantes limitaciones: la disponibilidad del litio, el cobalto y el níquel está concentrada en pocas regiones, provocando vulnerabilidades geopolíticas. Además, su extracción implica un elevado coste ambiental. Por ello, surge la necesidad de explorar tecnologías basadas en materiales más abundantes y sostenibles. Entre las alternativas emergentes destacan las baterías metal-azufre (MSBs), especialmente las tecnologías litio-azufre (Li-S) y sodio-azufre (Na-S). El azufre es un material abundante, económico y con una capacidad teórica muy elevada, lo que permitiría obtener densidades de energía muy superiores a las de las baterías actuales de ion litio. Sin embargo, estas baterías presentan retos tecnológicos, como la baja conductividad del azufre, los cambios de volumen durante el ciclaje y la disolución de polisulfuros, responsable del “efecto shuttle”, que degrada el rendimiento. Las baterías Li-S añaden un problema adicional: el uso de litio metálico en el ánodo favorece la formación de dendritas, comprometiendo la seguridad. En respuesta, la comunidad científica ha intensificado el estudio de las baterías Na-S, dado que el sodio es abundante y distribuido de manera uniforme en el planeta, lo que reduce dependencias críticas y abarata la producción. La transición a sistemas Na-S supone un rediseño tecnológico que mantiene las ventajas del azufre y mejora la sostenibilidad. Un componente clave para mejorar las MSBs son los materiales carbonosos, que facilitan la retención de polisulfuros, aumentan la conductividad y mejoran la estabilidad. Sin embargo, sus métodos de producción tradicionales suelen ser poco sostenibles. Por ello, la tesis estudiada propone la valorización de residuos, concretamente cáscara de pistacho y lodos de depuradora, para obtener carbones porosos funcionales mediante pirólisis y activación química. Estos materiales presentan alta superficie específica y grupos funcionales adecuados para mejorar el rendimiento electroquímico. Los resultados muestran que estos carbones derivados de residuos permiten mitigar los principales problemas de las MSBs y ofrecen una solución alineada con los Objetivos de Desarrollo Sostenible y con las políticas europeas de descarbonización y economía circular, que impulsan la reducción de emisiones y la valorización de residuos.

Digital transformation, the growth of infrastructures based on artificial intelligence, the expansion of data centres and the electrification of transport have drastically increased the demand for electricity and efficient storage systems. In this context, batteries are essential not only for electronic devices but also for critical infrastructures and electric vehicles. However, the current energy system requires sustainable alternatives that ensure safety, stability and reduced environmental impact. Lithium-ion batteries (LIBs) have led the market thanks to their high energy density, efficiency and reliability. Their development (recognised with the 2019 Nobel Prize in Chemistry) enabled major advances in portable electronics and electric mobility. Nevertheless, their global expansion reveals significant limitations: the availability of lithium, cobalt and nickel is concentrated in a few regions, creating geopolitical vulnerabilities, while their extraction entails a considerable environmental cost. This has prompted the need to explore technologies based on more abundant and sustainable materials. Among the emerging alternatives, metal-sulfur (MSBs) batteries stand out, particularly lithium-sulfur (Li-S) and sodium-sulfur (Na-S) technologies. Sulfur is an abundant, low-cost material with a very high theoretical capacity, which could enable energy densities far superior to those of current lithium-ion batteries. However, these systems face technological challenges such as the low electrical conductivity of sulfur, volume changes during cycling and the dissolution of polysulfides, which causes the so-called “shuttle effect” and degrades performance. Li-S batteries present an additional issue: the use of metallic lithium in the anode promotes dendrite formation, compromising safety. In response, the scientific community has intensified research into Na-S batteries, as sodium is abundant and evenly distributed across the planet, reducing strategic dependencies and lowering production costs. The transition to Na-S systems entails a technological redesign that retains the advantages of sulfur while improving sustainability. A key component for overcoming the limitations of MSBs is the use of carbon-based materials, which help retain polysulfides, increase conductivity and enhance stability. However, their traditional production methods are often environmentally unsustainable. For this reason, the thesis proposes the valorisation of waste, specifically pistachio shells and sewage sludge, to obtain functional porous carbons through controlled pyrolysis and chemical activation. These materials exhibit high surface area and suitable functional groups to improve electrochemical performance. The results show that these waste-derived carbons help mitigate the main issues associated with MSBs and offer a solution aligned with the Sustainable Development Goals and European policies on decarbonisation and the circular economy, which promote emissions reduction and waste valorisation.