Investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han diseñado un nuevo material de cátodo orgánico para baterías de litio. Con azufre en su núcleo, el material es más denso en energía, económico, y respetuoso con el medio ambiente que los materiales catódicos tradicionales de las baterías de litio. La investigación fue publicada en Materiales energéticos avanzados el 10 de abril 2019.

Optimización de los materiales del cátodo

Desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, las tecnologías que se han convertido en fundamentales para la vida cotidiana funcionan con baterías de litio. Y a medida que la demanda de estos productos sigue aumentando, Los científicos están investigando cómo optimizar los materiales del cátodo para mejorar el rendimiento general de los sistemas de baterías de litio.

"Las baterías de iones de litio comercializadas se utilizan en pequeños dispositivos electrónicos; sin embargo, para adaptarse a grandes distancias de conducción para vehículos eléctricos, su densidad de energía debe ser mayor, "dijo Zulipiya Shadike, investigador asociado en la División de Química de Brookhaven y autor principal de la investigación. "Estamos intentando desarrollar nuevos sistemas de baterías con una alta densidad energética y un rendimiento estable".

Además de resolver los desafíos energéticos de los sistemas de baterías, Los investigadores de Brookhaven están estudiando diseños de materiales de batería más sostenibles. En busca de un material de cátodo sostenible que también pueda proporcionar una alta densidad de energía, los investigadores eligieron azufre, un elemento abundante y seguro.

"El azufre puede formar muchos enlaces, lo que significa que puede retener más litio y, por lo tanto, tener una mayor densidad de energía, "dijo el coautor Adrian Hunt, un científico del National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven. "El azufre también es más ligero que los elementos tradicionales de los materiales catódicos, así que si haces una batería con azufre, la batería en sí sería más liviana y el automóvil con el que funciona podría conducir más lejos con la misma carga ".

Al diseñar el nuevo material de cátodo, los investigadores eligieron un compuesto de organodisulfuro que solo está formado por elementos como el carbono, hidrógeno, azufre, y oxígeno, no los metales pesados ​​que se encuentran en las baterías de litio típicas, que son menos respetuosos con el medio ambiente. Pero si bien las baterías de azufre pueden ser más seguras y más densas en energía, presentan otros desafíos.

"Cuando una batería se está cargando o descargando, El azufre puede formar un compuesto indeseable que se disuelve en el electrolito y se difunde por toda la batería. causando una reacción adversa, ", Dijo Shadike." Intentamos estabilizar el azufre diseñando un material de cátodo en el que los átomos de azufre estaban unidos a una estructura orgánica ".

Los rayos X revelan los detalles

Una vez que los científicos de la División de Química de Brookhaven diseñaron y sintetizaron el nuevo material, luego lo llevaron a NSLS-II para comprender mejor su mecanismo de carga y descarga. Usando rayos X ultrabrillantes de NSLS-II en dos estaciones experimentales diferentes, la línea de luz de difracción de polvo de rayos X (XPD) y la línea de luz de espectroscopia de rayos X suave (IOS) in situ y Operando, los científicos pudieron determinar cómo los elementos específicos en el material del cátodo contribuyeron a su desempeño.

"Puede ser difícil estudiar materiales de baterías orgánicas utilizando fuentes de luz de sincrotrón porque, en comparación con los metales pesados, los compuestos orgánicos son más ligeros y sus átomos están menos ordenados, por lo que producen datos débiles, "dijo Sanjit Ghose, científico principal de XPD y coautor del artículo. "Afortunadamente, tenemos haces de rayos X de muy alto flujo y alta energía en NSLS-II que nos permiten 'ver' la abundancia y actividad de cada elemento en un material, incluyendo encendedor, elementos orgánicos menos ordenados ".

Ghose agregó, "Nuestros colegas del departamento de química diseñaron y sintetizaron el material del cátodo según la estructura teóricamente predicha. Para nuestra sorpresa, nuestras observaciones experimentales coincidieron exactamente con la estructura impulsada teóricamente ".

Iradwikanari Waluyo, científico principal de IOS y coautor del artículo, dijo, "Usamos rayos X suaves en IOS para sondear directamente el átomo de oxígeno en la columna vertebral y estudiar su estructura electrónica, antes y después de que la batería se cargue y descargue. Confirmamos que el grupo carbonilo, que tiene un doble enlace entre un átomo de carbono y un átomo de oxígeno, no solo juega un papel importante en la mejora de la capacidad de carga y descarga rápida de la batería, sino que también proporciona capacidad adicional ".

Los resultados de NSLS-II y experimentos adicionales en la fuente de luz canadiense permitieron a los científicos confirmar con éxito la capacidad de carga y descarga de la batería proporcionada por los átomos de azufre. Los investigadores dicen que este estudio proporciona una nueva estrategia para mejorar el rendimiento de los cátodos a base de azufre para baterías de litio de alto rendimiento.