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. pesar menos, y puede 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, limitar la adopción generalizada.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. ha informado que un nuevo componente de batería de litio y azufre permite duplicar la capacidad en comparación con una batería convencional de litio y azufre. incluso después de más de 100 ciclos de carga a altas densidades de corriente, que son métricas de rendimiento clave para su adopción en vehículos eléctricos (EV) y en aviación.

Lo hicieron mediante el diseño de un nuevo aglutinante de polímero que regula activamente los procesos clave de transporte de iones dentro de una batería de litio-azufre. y también han demostrado cómo funciona a nivel molecular. El trabajo fue reportado 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 nuestro polímero. Como el azufre participa en las reacciones químicas de la batería, el polímero evita que los compuestos de azufre cargados negativamente se salgan. La batería es muy prometedora para habilitar 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, provocando que se degrade y, en última instancia, reduciendo la capacidad de la batería con el tiempo. Para hacer estas baterías más estables, Los investigadores han trabajado tradicionalmente para desarrollar recubrimientos protectores para sus electrodos, y desarrollar nuevos aglutinantes poliméricos que actúen como el pegamento que mantiene unidos los componentes de la batería. Estos aglutinantes están destinados a controlar o mitigar la hinchazón y el agrietamiento del electrodo.

La nueva carpeta da un paso más. Investigadores de la instalación de síntesis orgánica en la fundición molecular de Berkeley Lab, un centro de investigación especializado en ciencia a nanoescala, diseñó un polímero para mantener el azufre muy cerca del electrodo uniendo selectivamente las moléculas de azufre, contrarrestar sus tendencias migratorias.

El siguiente paso fue comprender los cambios estructurales dinámicos que pueden ocurrir durante la carga y descarga, así como en los diferentes estados de carga. David Prendergast, quien dirige la instalación de la teoría de la fundición, y Tod Pascal, un científico de proyectos en Theory Facility, 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 basados ​​en el aprendizaje de simulaciones mecánicas cuánticas detalladas de los productos que contienen azufre disuelto, "declaró Prendergast.

Sus simulaciones de dinámica molecular a gran escala, realizado en recursos de supercomputación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) de Berkeley Lab, confirmó que el polímero tiene afinidad por unirse a las moléculas de azufre móviles, y también predijo que el polímero probablemente mostraría una preferencia por unir diferentes especies de azufre en diferentes estados de carga de la batería. Los experimentos llevados a cabo en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab y en 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 y azufre fabricadas con el nuevo aglutinante de polímero. A través de una serie de experimentos, pudieron analizar y cuantificar cómo el polímero afecta la velocidad de reacción química en el 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 ciclos prolongados, el nuevo polímero eleva el listón de la capacidad y la potencia de las baterías de litio y azufre.

La comprensión combinada de la síntesis, teoría, y las características del nuevo polímero lo han convertido en un componente clave en el prototipo de celda de litio-azufre en el Centro Conjunto de Investigación de Almacenamiento de Energía (JCESR) del DOE.