El grupo de investigación del profesor Jong-Sung Yu en el Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Energía de DGIST desarrolló una tecnología para una capa intermedia de sílice porosa mediante la carga de azufre, un material activo, en sílice. Se espera que este nuevo enfoque sea fundamental para la I+D y la comercialización de baterías de litio-azufre de próxima generación, en las que la densidad y la estabilidad de la energía son esenciales.

Con el reciente aumento en la demanda de dispositivos de almacenamiento de energía de gran capacidad, se han llevado a cabo activamente investigaciones sobre baterías secundarias de última generación de alta energía y bajo costo que pueden reemplazar las baterías de iones de litio. Las baterías de litio-azufre, que utilizan azufre como material de cátodo, tienen una densidad de energía varias veces mayor que la de las baterías de iones de litio convencionales, que utilizan costosos elementos de tierras raras como material de cátodo. Por lo tanto, se espera que la batería a base de azufre sea más adecuada para dispositivos de alta energía como vehículos eléctricos y drones. Además, la investigación sobre baterías de litio-azufre está muy extendida porque el azufre es económico, abundante y no tóxico.

Por otro lado, el azufre, elemento activo que produce energía eléctrica, tiene baja conductividad y el polisulfuro generado durante la carga y descarga de la batería se difunde hacia el electrodo negativo de la batería, resultando en la pérdida de azufre por su reacción con el litio. En consecuencia, la capacidad y la vida útil de la batería se deterioran significativamente. Este problema se solucionó al insertar una nueva capa entre el electrodo de azufre y el separador (centro) que puede absorber polisulfuro y bloquear la difusión.

El carbón conductor, que actualmente se usa como tecnología de capa intermedia para mejorar la capacidad y la vida útil de las baterías de litio-azufre, imparte conductividad al electrodo de azufre. Sin embargo, la difusión de azufre no se puede evitar porque su afinidad con el polisulfuro de litio polar es baja. Por otra parte, si se utiliza un óxido polar como material de capa intermedia, se suprime la pérdida de azufre debido a su fuerte interacción con el polisulfuro de litio. Sin embargo, la utilización de azufre es menor debido a su baja conductividad. Además, los diversos materiales de capa intermedia estudiados anteriormente no son ideales porque no pueden alcanzar la densidad de energía y el ciclo de vida necesarios para la comercialización debido a su espesor y baja actividad redox.

Para abordar estas desventajas, el equipo de investigación primero implementó una nueva capa intermedia de sílice/azufre poroso activo redox agregando azufre en la sílice después de sintetizar la sílice porosa en forma de placa. Predijeron que la capacidad y la eficiencia de vida útil de las baterías de litio-azufre se maximizarían debido al aumento inducido por el azufre en la capacidad por área de celda, porque se cargó azufre adicional en la capa intermedia, que también podría actuar como un polisulfuro de litio efectivo. sitio de adsorción.

Para investigar esta teoría, la capa intermedia de sílice/azufre se aplicó a una batería de litio-azufre, que luego se cargó y descargó 700 veces. Como resultado, la capa intermedia porosa de sílice/azufre logró una estabilidad a largo plazo mucho mayor que la capa intermedia porosa convencional de carbono/azufre después de 700 ciclos de carga/descarga. En particular, la batería exhibió alta capacidad y propiedades duraderas, incluso con un alto contenido de azufre de 10 mg/cm ² y una concentración baja de electrolito:azufre (E/S) de 4. Por lo tanto, está casi listo para su aplicación práctica.

El profesor Jong-Sung Yu declaró:"Nuestro estudio es el primero en encontrar que el azufre se puede cargar en los poros de un material de sílice poroso para que sirva como material de capa intermedia para las baterías de litio-azufre, mejorando su capacidad y vida útil". Agregó:"Este resultado es un nuevo hito en el desarrollo de baterías de litio-azufre de alta energía y larga duración de próxima generación".

Este estudio se realizó en colaboración con el equipo de la Dra. Amine Khalil en el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL). Dr. Byung-Jun Lee, quien recibió su Ph.D. bajo la dirección del profesor Jong-Sung Yu del Departamento de Energía y Ciencia e Ingeniería de DGIST, fue el primer autor. Este estudio fue publicado en línea el 8 de agosto en Nature Communications . + Explora más

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