Uma equipa liderada pelo Professor Cheong Ying Chan do Instituto de Energia da Universidade de Hong Kong (HKUST), propôs um novo conceito de design do cátodo para a bateria de lítio-sulfur (Li-S) que melhora substancialmente o desempenho deste tipo de bateria promissora da próxima geração. Um artigo sobre o seu trabalho é publicado na revista Nature Nanotechnology.
O cátodo é composto por nanopartículas ZnS uniformemente incorporadas e catalisador Co-N-C de um único satélite para formar locais de ligação de duas extremidades dentro de um hospedeiro macroporoso altamente orientado, que pode imobilizar e converter eficazmente os intermediários de polissulfureto durante o ciclo, eliminando assim o efeito de vaivém e a corrosão do lítio-metal.
Os macroporos encomendados melhoram o transporte iônico sob alta carga de enxofre, formando limites trifásicos suficientes entre catalisador, suporte condutivo e eletrólito. Este desenho previne a formação de enxofre inativo (enxofre morto).
Nossa estrutura catódica mostra melhor desempenho em uma configuração de célula de bolsa sob alta carga de enxofre e operação com eletrólito enxuto. Uma célula de bolsa de nível 1-A-h com apenas 100% de excesso de lítio pode fornecer uma energia específica da célula de >300 W h kg-1 com uma eficiência Coulombic >95% para 80 ciclos.
-Zhao et al.
Estratégia de design do hospedeiro macroporoso com sítios de ligação de dupla extremidade. Crédito: HKUST
Li-S baterias podem potencialmente oferecer uma densidade de energia de mais de 500 Wh/kg, significativamente melhor do que as baterias de íon-lítio que atingem seu limite de 300 Wh/kg. A maior densidade de energia significa que o alcance aproximado de 400 km (250 milhas) de um veículo elétrico alimentado por baterias de íon de lítio pode ser substancialmente estendido para 600-800 km (373 a 497 milhas) se alimentado por baterias Li-S.
Embora tenham sido alcançados resultados emocionantes com baterias Li-S por pesquisadores em todo o mundo, ainda há uma grande lacuna entre a pesquisa de laboratório e a comercialização da tecnologia em uma escala industrial. Uma questão chave é o efeito de shuttle de polissulfureto das baterias Li-S que causa fuga progressiva de material activo do cátodo e corrosão do lítio, resultando num ciclo de vida curto para a bateria. Outros desafios incluem a redução da quantidade de eletrólito na bateria enquanto mantém o desempenho estável da bateria.
Para resolver estes problemas, a equipe do Prof. Zhao colaborou com pesquisadores internacionais para propor um conceito de design de cátodo que poderia alcançar um bom desempenho da bateria Li-S.
O seu hospedeiro macroporoso altamente orientado pode acomodar uniformemente o enxofre enquanto locais ativos abundantes são incorporados dentro do hospedeiro para absorver firmemente o polissulfeto, eliminando o efeito de vaivém e a corrosão do lítio metálico.
Ao trazer um princípio de design para um cátodo de enxofre em baterias Li-S, a equipe conjunta aumentou a densidade de energia das baterias e deu um grande passo para a industrialização das baterias.
Estamos ainda no meio da pesquisa básica neste campo. No entanto, nosso novo conceito de design de eletrodos e o avanço no desempenho associado representam um grande passo em direção ao uso prático de uma bateria de próxima geração que é ainda mais potente e mais duradoura do que as baterias de íons de lítio atuais.
-Prof. Zhao
Os membros da equipe da HKUST incluem o Prof. Zhao e seus atuais alunos de doutorado ZHAO Chen, ZHANG Leicheng, e o ex-aluno de doutorado REN Yuxun (formado em 2019). Outros colaboradores incluem pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne e da Universidade de Stanford nos EUA, da Universidade de Xiamen na China Continental, e da Universidade Imam Abdulrahman Bin Faisal na Arábia Saudita.