Las baterías de litio-azufre son candidatos prometedores para reemplazar las baterías de iones de litio comunes en los vehículos eléctricos, ya que son más baratas, pesan menos y pueden almacenar casi el doble de energía para la misma masa. Sin embargo, las baterías de litio-azufre se vuelven inestables con el tiempo,y sus electrodos se deterioran, lo que limita la adopción generalizada.
Ahora, un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Berkeley Lab ha informado que un nuevo componente de batería de litio-azufre permite duplicar la capacidad en comparación con una batería de litio-azufre convencional, inclusodespués de más de 100 ciclos de carga a altas densidades de corriente, que son métricas clave de rendimiento para su adopción en vehículos eléctricos EV y en aviación.
Lo hicieron mediante el diseño de un nuevo aglutinante polimérico que regula activamente los procesos clave de transporte de iones dentro de una batería de litio y azufre, y también han demostrado cómo funciona a nivel molecular. El trabajo se informó recientemente en Comunicaciones de la naturaleza .
"El nuevo polímero actúa como una pared", dijo Brett Helms, científico del personal de la fundición molecular de Berkeley Lab y autor correspondiente del estudio. "El azufre se carga en los poros de un huésped de carbono, que luego son sellados por nuestropolímero. Como el azufre participa en las reacciones químicas de la batería, el polímero evita que los compuestos de azufre cargados negativamente se vayan. La batería tiene una gran promesa para permitir la próxima generación de vehículos eléctricos ".
Cuando una batería de litio-azufre almacena y libera energía, la reacción química produce moléculas móviles de azufre que se desconectan del electrodo, lo que hace que se degrade y finalmente disminuya la capacidad de la batería con el tiempo. Para hacer que estas baterías sean más estables, los investigadores hantradicionalmente trabajó para desarrollar recubrimientos protectores para sus electrodos y para desarrollar nuevos aglutinantes de polímeros que actúen como el pegamento que mantiene unidos los componentes de la batería. Estos aglutinantes están destinados a controlar o mitigar la inflamación y el agrietamiento del electrodo.
El nuevo aglutinante va un paso más allá. Investigadores de la Instalación de Síntesis Orgánica en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un centro de investigación especializado en ciencia a nanoescala, diseñaron un polímero para mantener el azufre cerca del electrodo al unir selectivamente las moléculas de azufre,contrarrestando sus tendencias migratorias.
El siguiente paso fue comprender los cambios estructurales dinámicos que es probable que ocurran durante la carga y descarga, así como en diferentes estados de carga. David Prendergast, quien dirige la Instalación de Teoría de la Fundición, y Tod Pascal, un científico del proyecto en TeoríaFacility, construyó una simulación para probar las hipótesis de los investigadores sobre el comportamiento del polímero.
"Ahora podemos modelar de manera confiable y eficiente la química del azufre dentro de estos aglutinantes en base al aprendizaje de simulaciones mecánicas cuánticas detalladas de los productos que contienen azufre disuelto", afirmó Prendergast.
Sus simulaciones de dinámica molecular a gran escala, realizadas en recursos de supercomputación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley NERSC, confirmaron que el polímero tiene afinidad por la unión de las moléculas móviles de azufre, y también predijeron que el polímero probablemente mostraríauna preferencia por unir diferentes especies de azufre en diferentes estados de carga para la batería. Los experimentos realizados en la Fuente de Luz Avanzada de Berkeley Lab y el Laboratorio de Descubrimiento de Electroquímica del Laboratorio Nacional de Argonne confirmaron estas predicciones.
El equipo de investigación llevó su estudio un paso más allá al examinar también el rendimiento de las células de litio-azufre hechas con el nuevo aglutinante polimérico. Mediante un conjunto de experimentos, pudieron analizar y cuantificar cómo el polímero afecta la velocidad de reacción química enel cátodo de azufre, que es clave para lograr una alta densidad de corriente y alta potencia con estas celdas.
Al casi duplicar la capacidad eléctrica de la batería durante el ciclo a largo plazo, el nuevo polímero eleva el listón de la capacidad y la potencia de las baterías de litio-azufre.
La comprensión combinada de la síntesis, la teoría y las características del nuevo polímero lo han convertido en un componente clave en la célula prototipo de litio-azufre en el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía JCESR del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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