Un equipo de Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ha fabricado por primera vez un nanomaterial a partir de nanopartículas de un compuesto de óxido de titanio (Ti4O7) que se caracteriza por una superficie extremadamente grande, y lo probé como material de cátodo en baterías de litio-azufre. El nanomaterial altamente poroso posee una alta capacidad de almacenamiento que permanece casi constante durante muchos ciclos de carga.

En el presente, Las baterías de litio son una de las mejores soluciones para almacenar energía eléctrica en un espacio reducido. Los iones de litio en estas baterías migran del ánodo al polo eléctrico opuesto, el cátodo, durante el ciclo de descarga. El ánodo y el cátodo generalmente consisten en compuestos de metales pesados ​​que son costosos y tóxicos.

Una alternativa interesante es la batería de litio-azufre. En este caso, el cátodo no consta de metales pesados, pero en lugar de azufre, un material económico y ampliamente disponible. A medida que los iones de litio migran al cátodo durante el ciclo de descarga, allí tiene lugar una reacción que forma sulfuro de litio (Li2S) a través de varios polisulfuros de litio intermedios. Durante el ciclismo, la disolución de los polisulfuros de litio hace que la capacidad de la batería disminuya en el transcurso de múltiples ciclos de carga a través del llamado "efecto lanzadera". Por esta razón, investigadores de todo el mundo están trabajando para mejorar los materiales de cátodos que podrían confinar o encapsular química o físicamente polisulfuros, como con nanopartículas hechas de dióxido de titanio (TiO ₂ ), por ejemplo.

Nanopartículas de Ti4O7 con estructura de poros interconectados

El equipo de HZB encabezado por el profesor Yan Lu ahora ha fabricado un material de cátodo que es aún más efectivo. Aquí también, las nanopartículas proporcionan confinamiento del azufre. Sin embargo, no consisten en dióxido de titanio, pero en lugar de Ti ₄ O ₇ moléculas dispuestas sobre una superficie esférica porosa. Estas nanopartículas porosas se unen a los polisulfuros con mucha más fuerza que el TiO habitual. ₂ nanopartículas.

"Hemos desarrollado un proceso de fabricación especial para generar este complejo, estructura de poros tridimensionalmente interconectados ", explica Yan Lu. Yan Lu primero fabrica una plantilla hecha de una matriz de pequeñas esferas de polímero que tienen superficies porosas. Esta plantilla se prepara en pasos adicionales, luego sumergido en una solución de isopropóxido de titanio. Una capa de Ti ₄ O ₇ se forma en las esferas porosas y permanece después del tratamiento térmico, que descompone el polímero subyacente. En comparación con otros materiales de cátodos hechos de óxidos de titanio, el ti ₄ O ₇ La matriz de la nanoesfera posee una superficie extremadamente grande. 12 gramos de este material cubrirían un campo de fútbol.

Función decodificada en BESSY II

Las mediciones de espectroscopía de rayos X (XPS) en el experimento CISSY de BESSY II muestran que los compuestos de azufre se unen fuertemente a la superficie de la nanomatriz.

Alta capacidad específica

Esto también explica la alta capacidad específica por gramo (1219 mAh) a 0,1 C (1 C =1675 mA g ^-1 ). La capacidad específica también disminuye muy poco durante los ciclos repetidos de carga / descarga (0,094 por ciento por ciclo). En comparación, la capacidad específica de los materiales catódicos hechos de nanopartículas de TiO2 es de 683 mAh / g. Para aumentar la conductividad de este material, es posible aplicar un recubrimiento suplementario de carbono a las nanopartículas. La estructura altamente porosa permanece intacta después de este proceso.

La ampliación es factible

"Hemos estado trabajando para mejorar la repetibilidad de esta síntesis durante más de un año. Ahora sabemos cómo hacerlo. A continuación, trabajaremos en la fabricación del material como una película fina ", dice Yan Lu. Y la mejor parte:en este caso, lo que ha tenido éxito en el laboratorio también se puede transferir a la fabricación comercial. Esto se debe a que todos los procesos, de la química coloidal a la tecnología de película delgada, son escalables.