A finales de julio de 2008, un avión solar británico estableció un récord no oficial de resistencia de vuelo al permanecer en el aire durante más de tres días seguidos. Las baterías de litio-azufre surgieron como uno de los grandes avances tecnológicos que posibilitaron el vuelo, impulsando el avión durante la noche con una eficiencia inigualable por las mejores baterías del día. Diez años después, el mundo todavía está esperando la llegada comercial de las baterías "Li-S". Pero un gran avance de los investigadores de la Universidad de Drexel acaba de eliminar una barrera importante que ha estado bloqueando su viabilidad.

Las empresas de tecnología saben desde hace algún tiempo que la evolución de sus productos, si son laptops, teléfonos celulares o autos eléctricos, depende de la mejora constante de las baterías. La tecnología solo es "móvil" mientras la batería lo permita, y las baterías de iones de litio, consideradas las mejores del mercado, están llegando a su límite de mejora.

Con el rendimiento de la batería acercándose a una meseta, las empresas están tratando de exprimir hasta el último voltio en y fuera de, los dispositivos de almacenamiento reduciendo el tamaño de algunos de los componentes internos que no contribuyen al almacenamiento de energía. Algunos efectos secundarios desafortunados de estos cambios estructurales son el mal funcionamiento y los colapsos que ocurrieron en varias tabletas Samsung en 2016.

Los investigadores y la industria de la tecnología están buscando baterías de Li-S para eventualmente reemplazar las de iones de litio porque esta nueva química teóricamente permite empaquetar más energía en una sola batería, una medida llamada "densidad de energía" en la investigación y desarrollo de baterías. Esta capacidad mejorada, del orden de 5 a 10 veces la de las baterías de iones de litio, equivale a un mayor tiempo de funcionamiento de las baterías entre cargas.

El problema es, Las baterías Li-S no han podido mantener su capacidad superior después de las primeras recargas. Resulta que el azufre, que es el ingrediente clave para mejorar la densidad energética, migra lejos del electrodo en forma de productos intermedios llamados polisulfuros, lo que lleva a la pérdida de este ingrediente clave y al desvanecimiento del rendimiento durante las recargas.

Durante años, los científicos han intentado estabilizar la reacción dentro de la batería Li-S para contener físicamente estos polisulfuros. pero la mayoría de los intentos han creado otras complicaciones, como agregar peso o materiales costosos a la batería o agregar varios pasos de procesamiento complicados.

Pero un nuevo enfoque informado por investigadores de la Facultad de Ingeniería de Drexel en una edición reciente de la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados , titulado "Fase de TiO estabilizada en nanofibras independientes como fuerte inmovilizador de polisulfuro en baterías Li-S:evidencia de interacciones ácido-base de Lewis, "muestra que puede mantener los polisulfuros en su lugar, manteniendo la impresionante resistencia de la batería, reduciendo al mismo tiempo el peso total y el tiempo necesario para producirlos.

"Hemos creado un tapete de nanofibras de monóxido de titanio poroso independiente como material cátodo anfitrión en baterías de litio-azufre, "dijo Vibha Kalra, Doctor., profesor asistente en la Facultad de Ingeniería y autor principal de la investigación. "Este es un avance significativo porque hemos descubierto que nuestro cátodo de monóxido de titanio y azufre es altamente conductor y capaz de unir polisulfuros a través de fuertes interacciones químicas, lo que significa que puede aumentar la capacidad específica de la batería a la vez que conserva su impresionante rendimiento a lo largo de cientos de ciclos. También podemos demostrar la eliminación completa de los aglutinantes y el colector de corriente en el lado del cátodo que representan el 30-50 por ciento del peso del electrodo, y nuestro método toma solo unos segundos para crear el cátodo de azufre. cuando el estándar actual puede tardar casi medio día ".

Sus hallazgos sugieren que la estera de nanofibras, que a nivel microscópico se asemeja a un nido de pájaro, es una excelente plataforma para el cátodo de azufre porque atrae y atrapa los polisulfuros que surgen cuando se usa la batería. Mantener los polisulfuros en la estructura del cátodo evita el "desplazamiento, "un fenómeno que merma el rendimiento que se produce cuando se disuelven en la solución de electrolito que separa el cátodo del ánodo en una batería. Este diseño de cátodo no solo puede ayudar a la batería Li-S a mantener su densidad de energía, pero también hacerlo sin materiales adicionales que aumenten el peso y el costo de producción, según Kalra.

Para lograr estos objetivos duales, el grupo ha estudiado de cerca los mecanismos de reacción y la formación de polisulfuros para comprender mejor cómo un material huésped de electrodo podría ayudar a contenerlos.

"Esta investigación muestra que la presencia de una fuerte interacción ácido-base de Lewis entre el monóxido de titanio y el azufre en el cátodo evita que los polisulfuros lleguen al electrolito, que es la causa principal de la disminución del rendimiento de la batería, "dijo Arvinder Singh, Doctor., un investigador postdoctoral en el laboratorio de Kalra que fue un autor del artículo.

Esto significa que su diseño de cátodo puede ayudar a una batería Li-S a mantener su densidad de energía, y hacerlo sin materiales adicionales que aumenten el peso y el costo de producción. según Kalra.

El trabajo anterior de Kalra con electrodos de nanofibras ha demostrado que brindan una variedad de ventajas sobre los componentes actuales de la batería. Tienen una mayor superficie que los electrodos de corriente, lo que significa que pueden adaptarse a la expansión durante la carga, que puede aumentar la capacidad de almacenamiento de la batería. Rellenándolos con un gel de electrolitos, pueden eliminar los componentes inflamables de los dispositivos minimizando su susceptibilidad a las fugas, incendios y explosiones. Se crean mediante un proceso de electrohilado, que se parece a hacer algodón de azúcar, esto significa que tienen una ventaja sobre los electrodos estándar basados ​​en polvo que requieren el uso de productos químicos "aglutinantes" aislantes y que deterioran el rendimiento en su producción.

Junto con su trabajo para producir sin aglutinantes, plataformas de cátodo independientes para mejorar el rendimiento de las baterías, El laboratorio de Kalra desarrolló una técnica de deposición rápida de azufre que tarda solo cinco segundos en llevar el azufre a su sustrato. El procedimiento derrite azufre en las esteras de nanofibras en un Entorno de 140 grados Celsius:elimina la necesidad de un procesamiento lento que utiliza una mezcla de productos químicos tóxicos. mientras mejora la capacidad del cátodo para mantener una carga después de largos períodos de uso.

"Nuestros electrodos Li-S proporcionan la arquitectura y la química adecuadas para minimizar la pérdida de capacidad durante el ciclo de la batería, un impedimento clave en la comercialización de baterías Li-S, ", Dijo Kalra." Nuestra investigación muestra que estos electrodos exhiben una capacidad efectiva sostenida que es cuatro veces mayor que las actuales baterías de iones de litio. Y nuestra novela low-cost method for sulfurizing the cathode in just seconds removes a significant impediment for manufacturing."

Since Zephyr-6's record-setting flight in 2008, many companies have invested in the development of Li-S batteries in hopes of increasing the range of electric cars, making mobile devices last longer between charges, and even helping the energy grid accommodate wind and solar power sources. Kalra's work now provides a path for this battery technology to move past a number of impediments that have slowed its progress.

The group will continue to develop its Li-S cathodes with the goals of further improving cycle life, reducing the formation of polysulfides and decreasing cost.