Pasos de síntesis para un compuesto de grafeno-azufre, que se puede utilizar como material de cátodo para baterías recargables de litio-azufre con una alta densidad energética. Derechos de autor de la imagen:Hailang Wang, et al. © 2011 Sociedad Química Estadounidense
(PhysOrg.com) - Al envolver pequeñas partículas de azufre en láminas de grafeno, Investigadores de la Universidad de Stanford han sintetizado un prometedor material de cátodo para baterías recargables de litio y azufre que podrían usarse para alimentar vehículos eléctricos a gran escala. Cuando se combina con ánodos a base de silicio, Los nuevos cátodos de grafeno-azufre podrían dar lugar a baterías recargables con una densidad de energía significativamente más alta de lo que es posible actualmente.
Los investigadores, dirigido por Yi Cui y Hongjie Dai de la Universidad de Stanford, han publicado su estudio en un número reciente de Nano letras .
Como explican los investigadores en su estudio, para propulsar vehículos eléctricos que sean competitivos con los vehículos de gasolina, Uno de los mayores desafíos es mejorar la energía y las densidades de potencia de las baterías de litio recargables. El punto débil de las baterías son actualmente los materiales del cátodo, que tienen capacidades específicas mucho más bajas que las de los materiales del ánodo. (Las capacidades específicas para los materiales del cátodo son aproximadamente 150 mAh / g para óxidos de capa y 170 mAh / g para LiFe-PO4, mientras que los de los materiales del ánodo son 370 mAh / g para el grafito y 4200 mAh / g para el silicio).
Para mejorar el cátodo, los investigadores recurrieron al azufre, que tiene una capacidad específica teórica de 1672 mAh / g, unas cinco veces más altas que las de los materiales catódicos tradicionales. Aunque el azufre tiene otras ventajas, como bajo costo y un impacto ambiental benigno, también tiene algunas desventajas. Por ejemplo, el azufre es un mal conductor, se expande durante la descarga, y los polisulfuros se disuelven en electrolito. Juntos, estos problemas provocan un ciclo de vida bajo, baja capacidad específica, y baja eficiencia energética.
Investigaciones anteriores han demostrado que agregar carbono al azufre puede aumentar la conductividad eléctrica del azufre. Pero aunque varios compuestos de carbono-azufre han alcanzado capacidades específicas de más de 1000 mAh / g, su ciclo de vida aún es bajo; sigue siendo un desafío mantener estas altas capacidades durante más de 100 ciclos.
“Desarrollamos una estrategia de envoltura de grafeno para superar muchos problemas relacionados con el uso de azufre como cátodos de baterías de iones de litio, "Cui dijo PhysOrg.com . "Hemos demostrado un excelente rendimiento ciclista".
Para lograr este alto rendimiento, los investigadores de Stanford hicieron algunos ajustes al azufre. Primero, recubrieron partículas submicrométricas de azufre con poli (etilenglicol) (PEG) para atrapar los polisulfuros y evitar su disolución. El revestimiento de PEG flexible también mejora la vida útil del ciclo al acomodar la expansión de volumen de las partículas de azufre durante la parte de descarga de cada ciclo. Próximo, los investigadores envolvieron las partículas de azufre recubiertas con láminas de grafeno decoradas con nanopartículas de negro de humo, que mejora la conductividad del cátodo de azufre. La capa de grafeno suelta también atrapa más polisulfuros y acomoda la expansión de volumen del azufre.
“Este es un diseño de material muy racional para superar los problemas de disolución de polisulfuro, ”Dijo Hailiang Wang, autor principal del artículo.
El rendimiento cíclico del compuesto de grafeno-azufre recubierto de PEG muestra que puede mantener una capacidad específica cercana a los 600 mAh / g durante más de 100 ciclos. Derechos de autor de la imagen:Hailang Wang, et al. © 2011 Sociedad Química Estadounidense
Los investigadores demostraron que el cátodo de grafeno-azufre resultante puede alcanzar altas capacidades específicas de 500 a 600 mAh / g durante más de 100 ciclos. El nuevo material del cátodo podría usarse para fabricar baterías recargables con una densidad de energía más alta que la de otras baterías recargables actuales.
"El desvanecimiento de la capacidad es solo del 10 al 15% durante 100 ciclos, que es muy emocionante, ”Dijo el coautor Yuan Yang, que hizo electrodos y celdas en el proyecto.
Sin embargo, antes de que se puedan fabricar tales baterías, los investigadores deben abordar la gran variabilidad de rendimiento de las baterías de litio-azufre que probaron en este estudio. Por ejemplo, aproximadamente el 30-50% de las baterías sufrieron una caída del 20-25% en 100 ciclos. En el futuro, los investigadores esperan seguir mejorando la cobertura de azufre para permitir un ciclo sin pérdidas.
"En general, los mayores desafíos a los que se enfrentan las baterías recargables para vehículos eléctricos son aumentar la densidad energética y reducir el costo, —Dijo Cui. "El uso de materiales de alta energía y bajo costo como el azufre es muy atractivo".
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