Baterías recargables de litio-azufre, donde los electrodos están hechos de litio (Li) metal y azufre (S) separados por un electrolito líquido, Podríamos reemplazar las baterías de iones de litio si pudiéramos entender cómo detener las reacciones que disminuyen el rendimiento de la batería. Durante el funcionamiento con batería, Los iones de polisulfuro se forman en el electrodo de azufre, pero pueden disolverse en el electrolito y eventualmente limitar el rendimiento de la batería. Los cálculos muestran que se produce una extensa formación de grupos (estructura izquierda (Li2S4) n) para polisulfuros más cortos, lo que limita la solubilidad de los iones más cortos en disolvente puro. Ocurrió menos agrupamiento cuando se agregó una sal de litio al solvente para formar el electrolito líquido (estructura derecha (Li 2 S4) n-x TFSI norte' ), lo que inesperadamente aumentó la solubilidad de los iones más cortos en el electrolito. Estas instantáneas de las estructuras brindan información sobre el diseño de electrolitos para permitir mejores baterías.
En el futuro, Las baterías recargables de litio-azufre (Li-S) podrían contener más energía y costar menos que las baterías de iones de litio si se pueden hacer para que duren más. Un desafío clave es evitar que los iones polisulfuro que deben formarse en el electrodo de azufre durante la descarga sean transportados a través del electrolito líquido al otro electrodo. Aquí, Los investigadores descubrieron cómo la solubilidad y el transporte de iones polisulfuro en el electrolito líquido se relacionan con la longitud de la cadena del ión polisulfuro. la tendencia del ion a agruparse, y la cantidad de sal de litio presente en el electrolito. Cabe señalar que los polisulfuros de cualquier longitud de cadena o estructura disueltos en el electrolito líquido pueden contribuir a un peor rendimiento de la batería.
El aumento de la vida útil de las baterías recargables de litio-azufre requiere evitar el transporte de polisulfuro entre electrodos durante el funcionamiento. El conocimiento de cómo interactúan las moléculas de sal y disolvente del electrolito con los polisulfuros ayuda a comprender su solubilidad. Los conocimientos de los estudios sobre estas interacciones podrían ayudar en el diseño de nuevos electrolitos para una mayor duración, prácticas baterías recargables de litio-azufre.
La batería de litio-azufre tiene una densidad de energía teórica mucho mayor que las baterías comerciales de iones de litio; sin embargo, la tecnología presenta un desvanecimiento y, por lo tanto, una duración limitada de la batería. En estas baterías, especies de azufre activo (como iones polisulfuro disueltos) migran al electrodo de metal de litio. Luego, Pueden ocurrir reacciones irreversibles que involucren a estos polisulfuros en el electrodo que resulten en la pérdida de su capacidad para almacenar carga. Los intentos de proteger el metal de los polisulfuros sólo han tenido un éxito parcial.
Los científicos del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía se han centrado en ajustar la composición de electrolitos para controlar cómo se disuelven los polisulfuros, moverse, e interactuar. Recientemente, utilizando estudios teóricos y experimentales combinados, los científicos descubrieron que la solubilidad de los polisulfuros (Li 2 S X , x =2-8) dependen de la longitud de la cadena del ion sulfuro. Los polisulfuros más cortos forman grandes grupos, con hasta quince iones en cada grupo, lo que limita su solubilidad. Los polisulfuros más largos (con más de cuatro átomos de azufre) muestran una mayor solubilidad, pero lento transporte en el solvente puro. Asombrosamente, la adición de una sal de litio para formar una solución de electrolito aumentó la solubilidad de los polisulfuros de cadena corta al proporcionar interacciones favorables entre la sal y los polisulfuros.
Los investigadores también calcularon y midieron experimentalmente las tasas de difusión del ion litio y otras especies en los electrolitos en diferentes proporciones de sal / solvente. Las altas concentraciones de sal podrían controlar favorablemente cómo se disuelven los polisulfuros, pero resultó en una movilidad reducida para las especies iónicas y una conductividad iónica insuficiente. Comprender la estructura y la dinámica de los electrolitos de litio y azufre brinda la oportunidad de ajustar la composición del electrolito. Con estas ideas, los futuros electrolitos podrían diseñarse para proporcionar un transporte eficiente de iones entre los electrodos, mientras se suprime la disolución y migración de especies de polisulfuro.
