La estructura orgánica radical porosa mejora las baterías de litio-azufre
Mejora significativa de la vida útil - Combinación de experimentos
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Un equipo dirigido por el profesor Yan Lu, del HZB, y el profesor Arne Thomas, de la Universidad Técnica de Berlín, ha desarrollado un material que mejora la capacidad y estabilidad de las baterías de litio-azufre. El material se basa en polímeros que forman un armazón con poros abiertos (conocidos como armazones orgánicos covalentes radical-catiónicos o COF). En estos poros se producen reacciones catalíticamente aceleradas que atrapan firmemente los polisulfuros, que acortarían la vida útil de la batería. Algunos de los análisis experimentales se realizaron en la BAMline de BESSY II.
Las estructuras cristalinas de polímeros orgánicos son una clase de materiales especialmente interesante. Se caracterizan por su elevada porosidad, comparable a la de una esponja, pero con poros de unos pocos micrómetros como máximo. Estos materiales pueden presentar funcionalidades especiales, que los hacen interesantes para determinadas aplicaciones en dispositivos electroquímicos de almacenamiento de energía. Por ejemplo, podrían actuar como "anfitriones" de compuestos de azufre, como los polisulfuros, en los electrodos de las baterías de litio-azufre. La idea es que los polisulfuros puedan unirse a las superficies interiores de los poros de las estructuras de COF y reaccionar allí para volver a generar azufre elemental. Sin embargo, esto aún no ha funcionado correctamente.
COF de nuevo desarrollo
Un equipo dirigido por el Profesor Yan Lu (HZB) y el Profesor Arne Thomas (Universidad Técnica de Berlín) ha demostrado ahora un importante avance con un material de COF de nuevo desarrollo. Mediante la incorporación de determinados "radicales", el equipo consiguió una aceleración catalítica de la reacción deseada en los poros.
El material está formado por unidades de tetratiavaleno ([TTF]2-+) y aniones radicales trisulfuro (S3--) conectados mediante benzotiazol (R-TTF-+-COF). Esto mejora significativamente la actividad catalítica y la conductividad eléctrica del COF. Los electrones no apareados desempeñan un papel importante en los micro/mesoporos de los COF", explica Yan Lu. "Contribuyen a los orbitales π deslocalizados, lo que facilita la transferencia de carga entre las capas y mejora así las propiedades catalíticas".
Combinación de experimentos
En un estudio muy complejo, el equipo ha dilucidado el papel central de los motivos radicales en la catalización de las reacciones de reducción del azufre.
Para el estudio, los investigadores estudiaron los materiales de COF en pilas de Li-S mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear en estado sólido (ssNMR), espectroscopia de resonancia de espín electrónico (EPR) y también realizaron tomografía de rayos X in situ en el BAMline de BESSY II para caracterizar con mayor precisión los poros del interior. Combinaron estos resultados experimentales con cálculos teóricos para interpretar los resultados. Esto nos permitió demostrar que los cationes radicales [TTF]2-+ actúan como centros catalíticos que se unen a los LiPS y facilitan el alargamiento y la ruptura de los enlaces S-S", explica Sijia Cao, estudiante de doctorado del equipo de Yan Lu.
Mejora significativa
El resultado es sorprendente: el rendimiento de la batería de Li-S mejora notablemente con el uso del nuevo material R-TTF-+-COF. Así, la vida útil de las baterías de Li-S aumenta a más de 1.500 ciclos con una pérdida de capacidad de sólo el 0,027% por ciclo. Esta durabilidad de las baterías Li-S no se ha conseguido aún con materiales COF ni con otros catalizadores puramente orgánicos. Normalmente, las baterías de Li-S presentan menos de 1.000 ciclos, según los informes de los últimos años.
La integración de estas estructuras radicales en las baterías de litio-azufre es muy prometedora", afirma Yan Lu. Además, existe un amplio abanico de posibilidades de optimización. Las propiedades electrónicas del andamio y la actividad catalítica cambian en función de las moléculas que se utilicen como radicales. No obstante, es necesario seguir investigando en COFs con bloques de construcción radicales estables que estén específicamente diseñados para catalizar reacciones de reducción del azufre.
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Publicación original
Sijia Cao, Pouya Partovi-Azar, Jin Yang, Dongjiu Xie, Timo Held, Gianluca Marcozzi, Joseph E. McPeak, Wei Zhang, Xia Zhang, Markus Osenberg, Zdravko Kochovski, Changxia Li, Daniel Sebastiani, Johannes Schmidt, Moritz Exner, Ingo Manke, Arne Thomas, Wenxi Wang, Yan Lu; "A Radical-Cationic Covalent Organic Framework to Accelerate Polysulfide Conversion for Long-Durable Lithium–Sulfur Batteries"; Journal of the American Chemical Society, Volume 147, 2025-8-19
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