(Phys.org) —El mundo de las baterías recargables está lleno de ventajas y desventajas. Si bien las baterías de iones de litio (Li-ion) son actualmente las de mayor éxito comercial, su baja densidad de energía no permite una gran autonomía de conducción. También son muy caras, a menudo representa la mitad del precio de los vehículos eléctricos. Una alternativa son las baterías de litio-azufre (Li-S), que son atractivos por su alta densidad de energía gravimétrica que les permite almacenar más energía que las baterías de iones de litio. Y aunque todavía usan algo de litio, el componente de azufre les permite ser mucho más baratos que las baterías de iones de litio. Pero uno de los mayores inconvenientes de las baterías Li-S es su corto ciclo de vida, lo que hace que pierdan gran parte de su capacidad cada vez que se recargan.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, ha desarrollado una batería Li-S que puede retener más del 80% de su capacidad de 1180 mAh / g durante 300 ciclos, con el potencial de una retención de capacidad similar durante miles de ciclos. A diferencia de, la mayoría de las baterías Li-S pierden gran parte de su capacidad después de unas pocas decenas de ciclos.

Para lograr esta mejora, los investigadores identificaron por primera vez un nuevo mecanismo que provoca una disminución de la capacidad en las baterías de Li-S después del ciclo. Para que una batería Li-S se recargue correctamente, el sulfuro de litio en el cátodo debe estar unido a la superficie del cátodo; en este caso, la superficie interior de la nanofibra de carbono hueca que la encapsula. Esta unión crea un buen contacto eléctrico para permitir el flujo de carga. Pero los investigadores encontraron que, durante el proceso de descarga, el sulfuro de litio se desprende del carbono, resultando en una pérdida de contacto eléctrico que evita que la batería se recargue por completo.

Antes de ahora, Ha sido un gran desafío estudiar el cátodo de azufre a nanoescala debido a la sensibilidad del compuesto de azufre al aire y la humedad. así como su tendencia a sublime en el vacío. Pero la estructura hueca de nanofibras de carbono del ánodo, que los investigadores desarrollaron en un estudio anterior, protege el azufre, lo que permitió a los investigadores ver el cátodo utilizando un microscopio electrónico de transmisión (TEM) sin dañar significativamente la muestra.

Después de identificar el problema, los investigadores se propusieron arreglarlo agregando polímeros a la superficie de la nanofibra de carbono para modificar la interfaz carbono-azufre. Los polímeros son anfifílicos, lo que significa que son hidrofílicos (amantes del agua) y lipofílicos (amantes de las grasas), similar al jabón. Esta propiedad proporciona a los polímeros puntos de anclaje que permiten que los sulfuros de litio se adhieran fuertemente a la superficie del carbono para mantener fuertes contactos eléctricos.

Como mostraron los experimentos, Los cátodos de azufre que contienen los polímeros anfifílicos tuvieron un rendimiento muy estable, con menos del 3% de disminución de la capacidad durante los primeros 100 ciclos, y menos del 20% de desintegración durante más de 300 ciclos.

Aunque la mejora es un gran paso adelante, la capacidad de retención aún no se compara con las baterías de iones de litio, algunos de los cuales tienen una esperanza de vida cercana a los 10, 000 ciclos. Para evitar tener que reemplazar la batería cada pocos años, Los vehículos eléctricos requieren una vida útil más larga. Pero Cui dice que las baterías Li-S tienen el potencial de cerrar esta brecha en el futuro previsible.

"Utilizando la idea del polímero anfifílico aquí en este documento, junto con el diseño y la síntesis de materiales a nanoescala, es posible mejorar el ciclo de vida hasta 10, 000 ciclos, "Cui dijo Phys.org . "Mi grupo está trabajando en esto. Nuestros resultados recientes sobre el diseño de nanomateriales ya mejoraron a 1000 ciclos".

En el futuro, Cui cree que las baterías Li-S le darán a las baterías de iones de litio una competencia seria.

"Las baterías Li-S se vuelven bastante prometedoras para los vehículos eléctricos, ", dijo." El ciclo de vida debe mejorar aún más. Es necesario resolver el problema de seguridad de los ánodos de metal de litio. Es posible sortear los ánodos de metal Li con ánodos de Si ".

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