24.06.2022 - Tsinghua University

Nueva estrategia para mejorar el rendimiento de las baterías de litio-azufre

Los investigadores han desarrollado un mediador de oxidación-reducción (redox) de azufre para mejorar la lenta cinética de reacción de las baterías de litio-azufre, que ha limitado su densidad energética

Las baterías de litio-azufre son muy prometedoras como dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación debido a su densidad energética teórica ultra alta. Sin embargo, la densidad energética real de las baterías de litio-azufre dista mucho del valor teórico debido a las graves limitaciones del cátodo causadas por la lenta cinética de las reacciones de oxidación-reducción (redox) del azufre. El equipo de investigación ha creado una estrategia de mediación redox que es eficaz y que impulsa las baterías de litio-azufre hacia la aplicación práctica.

Las baterías de litio se utilizan hoy en día en aplicaciones que van desde la electrónica portátil y los vehículos eléctricos hasta los sistemas de almacenamiento de energía a escala de red. Entre las distintas baterías de litio, las de iones de litio se han convertido en las más populares. Sin embargo, las baterías de iones de litio se están acercando a su límite teórico de densidad energética y no pueden seguir el ritmo de las demandas de los dispositivos de almacenamiento de energía de alta densidad energética.

Las baterías de litio-azufre, con su altísima densidad energética teórica de 2.600 Wh kg-1, están atrayendo una gran atención, como posible alternativa a las baterías de iones de litio. Además de su potencial de alta densidad energética, el azufre utilizado como material activo en el cátodo es naturalmente abundante, respetuoso con el medio ambiente y de bajo coste.

Sin embargo, hay que superar un importante obstáculo. La alta densidad energética teórica de las baterías de litio-azufre tiene su origen en las reacciones entre el cátodo de azufre y el ánodo de litio. Durante el proceso de descarga, cuando la energía química se convierte en energía eléctrica, el azufre se reduce a polisulfuros de litio disueltos y luego a sulfuro de litio sólido. Pero durante este proceso de conversión, la cinética, o velocidad de las reacciones químicas, es muy lenta. Esta lentitud se agrava mucho en las duras condiciones de trabajo.

Para resolver este problema de la cinética lenta, los investigadores han diseñado una serie de promotores para mejorar las reacciones de la batería. Estos promotores sirven como anfitriones de azufre o materiales intercalados en las baterías de litio-azufre y están diseñados para promover la cinética de las baterías. Sin embargo, incluso con estos promotores, el rendimiento de la batería disminuye gradualmente debido a los depósitos de sulfuro de litio sólido que se acumulan en los sitios activos electrocatalíticos.

Con un estudio más profundo, los investigadores han determinado que los mediadores redox solubles son eficaces para promover la cinética. Redox, abreviatura de oxidación-reducción, describe las reacciones químicas que tienen lugar. Estos mediadores redox reducen u oxidan químicamente los polisulfuros de litio y luego se regeneran en la superficie del electrodo. Los investigadores han demostrado que el uso de los mediadores redox es un mecanismo eficaz para solucionar la lenta cinética de las pilas de botón. Las pilas de botón son pilas pequeñas y planas que se utilizan en dispositivos pequeños como audífonos, llaves de coche o implantes médicos. Lo que se necesitaba a continuación era un mediador redox que funcionara en las pilas de litio de tipo bolsa, que se utilizan en aplicaciones de mayor potencia, como las militares y las de automoción.

El equipo de investigación consideró urgente desarrollar un mediador redox avanzado adecuado para las pilas de bolsa de litio-azufre que funcionan en la práctica. Por ello, el equipo de investigación diseñó un mediador redox que utiliza una molécula orgánica llamada 5,7,12,14-pentacenetetrona, o PT, para promover la cinética redox del azufre en las pilas de bolsa de litio-azufre de alta densidad energética. "Concretamente, el mediador redox PT proporciona una derivación química para la reducción del polisulfuro de litio a sulfuro de litio, reduciendo así la resistencia de la reacción y mejorando la capacidad de deposición", dijo Bo-Quan Li, investigador académico del Instituto de Tecnología de Pekín. El trabajo del equipo proporciona un mediador redox eficaz para la reducción del polisulfuro con una cinética rápida y verifica el potencial de aplicación de los mediadores redox avanzados en las baterías prácticas de litio-azufre de alta densidad energética.

De cara al futuro, el siguiente paso de los investigadores será desarrollar mediadores redox más avanzados para la regulación de todo el rango en la cinética redox del azufre del cátodo. Con estos mediadores avanzados, se protegería el ánodo de metal de litio, ya sea mediante el diseño del electrolito o la introducción de anfitriones de litio. "El objetivo final es realizar baterías de litio-azufre de alta densidad energética y largo ciclo, con bajo coste y alta seguridad. Las aplicaciones potenciales de estas baterías de litio-azufre podrían ser los vehículos aéreos y las naves espaciales", dijo Li.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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