Un equipo dirigido por el profesor Cheong Ying Chan, del Instituto de Energía de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), ha propuesto un novedoso concepto de diseño de cátodo para la batería de litio-azufre (Li-S) que mejora sustancialmente el rendimiento de este tipo de prometedoras baterías de próxima generación. Un artículo sobre su trabajo se publica en la revista Nature Nanotechnology.
El cátodo se compone de nanopartículas de ZnS uniformemente incrustadas y de un catalizador de un solo átomo de Co-N-C para formar sitios de unión de doble extremo dentro de un anfitrión macroporoso altamente orientado, que puede inmovilizar eficazmente y convertir catalíticamente los polisulfuros intermedios durante el ciclo, eliminando así el efecto lanzadera y la corrosión del metal de litio.
Los macroporos ordenados mejoran el transporte iónico bajo una alta carga de azufre formando suficientes fronteras de triple fase entre el catalizador, el soporte conductor y el electrolito. Este diseño evita la formación de azufre inactivo (azufre muerto).
Nuestra estructura catódica muestra un mejor rendimiento en una configuración de celda de bolsa bajo una alta carga de azufre y un funcionamiento con electrolito pobre. Una célula de bolsa de nivel 1-A con sólo un 100% de exceso de litio puede proporcionar una energía específica de célula de >300 W h kg-1 con una eficiencia coulómbica >95% durante 80 ciclos.
-Zhao et al.
Estrategia de diseño del huésped macroporoso con sitios de unión de doble extremo. Crédito: HKUST
Las baterías de Li-S pueden ofrecer potencialmente una densidad de energía de más de 500 Wh/kg, significativamente mejor que las baterías de iones de litio que alcanzan su límite en 300 Wh/kg. La mayor densidad de energía significa que la autonomía aproximada de 400 km de un vehículo eléctrico alimentado con baterías de iones de litio puede ampliarse sustancialmente a 600-800 km si se alimenta con baterías de Li-S.
Aunque los investigadores de todo el mundo han obtenido resultados interesantes con las baterías de Li-S, todavía hay una gran distancia entre la investigación en laboratorio y la comercialización de la tecnología a escala industrial. Un problema clave es el efecto de lanzadera de polisulfuro de las baterías Li-S, que provoca la fuga progresiva de material activo del cátodo y la corrosión del litio, lo que da lugar a un ciclo de vida corto de la batería. Otros retos son la reducción de la cantidad de electrolito en la batería y el mantenimiento de un rendimiento estable de la misma.
Para resolver estos problemas, el equipo del profesor Zhao colaboró con investigadores internacionales para proponer un concepto de diseño de cátodo que pudiera lograr un buen rendimiento de la batería Li-S.
Su anfitrión macroporoso altamente orientado puede acomodar uniformemente el azufre mientras que abundantes sitios activos están incrustados dentro del anfitrión para absorber firmemente el polisulfuro, eliminando el efecto lanzadera y la corrosión del metal de litio.
Al aportar un principio de diseño para un cátodo de azufre en las baterías Li-S, el equipo conjunto aumentó la densidad energética de las baterías y dio un gran paso hacia la industrialización de las mismas.
Todavía estamos en plena investigación básica en este campo. Sin embargo, nuestro novedoso concepto de diseño de electrodos y el avance asociado en el rendimiento representan un gran paso hacia el uso práctico de una batería de próxima generación que es aún más potente y más duradera que las baterías de iones de litio actuales.
-Prof. Zhao
Los miembros del equipo de la HKUST incluyen al Prof. Zhao y sus actuales estudiantes de doctorado ZHAO Chen, ZHANG Leicheng, y el antiguo estudiante de doctorado REN Yuxun (graduado en 2019). Otros colaboradores son investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne y de la Universidad de Stanford en Estados Unidos, de la Universidad de Xiamen en China continental y de la Universidad Imam Abdulrahman Bin Faisal en Arabia Saudí.