Los vehículos eléctricos podrían viajar más lejos y se podría almacenar más energía renovable con baterías de litio y azufre que utilizan un nanomaterial en polvo único.

Los investigadores agregaron el polvo, una especie de nanomaterial llamado estructura organometálica, al cátodo de la batería para capturar polisulfuros problemáticos que generalmente hacen que las baterías de litio-azufre fallen después de algunas cargas. Un artículo que describe el material y su desempeño se publicó en línea el 4 de abril en la revista American Chemical Society. Nano letras .

"Las baterías de litio y azufre tienen el potencial de impulsar los vehículos eléctricos del mañana, pero deben durar más después de cada carga y poder recargarse repetidamente, ", dijo el químico de materiales Jie Xiao del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía." Nuestro marco de metal orgánico puede ofrecer una nueva forma de hacer que eso suceda ".

Los vehículos eléctricos actuales suelen funcionar con baterías de iones de litio. Pero la química de las baterías de iones de litio limita la cantidad de energía que pueden almacenar. Como resultado, Los conductores de vehículos eléctricos a menudo están ansiosos por saber qué tan lejos pueden llegar antes de tener que cargar. Una solución prometedora es la batería de litio-azufre, que puede contener hasta cuatro veces más energía por masa que las baterías de iones de litio. Esto permitiría a los vehículos eléctricos conducir más lejos con una sola carga, además de ayudar a almacenar más energía renovable. El lado negativo de las baterías de litio-azufre, sin embargo, es que tienen una vida útil mucho más corta porque actualmente no se pueden cargar tantas veces como las baterías de iones de litio.

Almacenamiento de energía 101

La razón se puede encontrar en cómo funcionan las baterías. La mayoría de las baterías tienen dos electrodos:uno está cargado positivamente y se llama cátodo, mientras que el segundo es negativo y se llama ánodo. La electricidad se genera cuando los electrones fluyen a través de un cable que conecta los dos. Para controlar los electrones, Los átomos cargados positivamente se mueven de un electrodo a otro a través de otro camino:la solución de electrolito en la que se asientan los electrodos.

Los principales obstáculos de la batería de litio-azufre son las reacciones secundarias no deseadas que acortan la vida útil de la batería. La acción indeseable comienza en el cátodo que contiene azufre de la batería, que se desintegra lentamente y forma moléculas llamadas polisulfuros que se disuelven en el electrolito líquido. Parte del azufre, una parte esencial de las reacciones químicas de la batería, nunca regresa al cátodo. Como resultado, el cátodo tiene menos material para mantener las reacciones y la batería se agota rápidamente.

Nuevos materiales para mejores baterías

Los investigadores de todo el mundo están tratando de mejorar los materiales de cada componente de la batería para aumentar la vida útil y el uso generalizado de las baterías de litio y azufre. Para esta investigación, Xiao y sus colegas se enfocaron en el cátodo para evitar que los polisulfuros se muevan a través del electrolito.

Se han examinado muchos materiales con pequeños orificios para atrapar físicamente los polisulfuros dentro del cátodo. Las estructuras orgánicas metálicas son porosas, pero la fuerza adicional del material de PNNL es su capacidad para atraer fuertemente las moléculas de polisulfuro.

El centro de níquel cargado positivamente de la estructura une firmemente las moléculas de polisulfuro a los cátodos. El resultado es un enlace covalente coordinado que, cuando se combina con la estructura porosa de la estructura, hace que los polisulfuros se queden quietos.

"La estructura altamente porosa del MOF es una ventaja que mantiene firme el polisulfuro y lo mantiene dentro del cátodo, ", dijo el electroquímico de PNNL, Jianming Zheng.

El nanomaterial es clave

Las estructuras orgánicas metálicas, también llamadas MOF, son compuestos cristalinos formados por grupos de metales conectados a moléculas orgánicas. o enlazadores. Juntos, los grupos y enlazadores se ensamblan en estructuras tridimensionales porosas. Los MOF pueden contener varios elementos diferentes. Los investigadores de PNNL eligieron el níquel, un metal de transición, como elemento central de este MOF en particular, debido a su gran capacidad para interactuar con el azufre.

Durante las pruebas de laboratorio, una batería de litio-azufre con cátodo MOF de PNNL mantuvo el 89 por ciento de su capacidad de energía inicial después de 100 ciclos de carga y descarga. Habiendo demostrado la eficacia de su cátodo MOF, Los investigadores de PNNL ahora planean mejorar aún más la mezcla de materiales del cátodo para que pueda retener más energía. El equipo también necesita desarrollar un prototipo más grande y probarlo durante períodos de tiempo más largos para evaluar el rendimiento del cátodo en el mundo real. aplicaciones a gran escala.

PNNL is also using MOFs in energy-efficient adsorption chillers and to develop new catalysts to speed up chemical reactions.

"MOFs are probably best known for capturing gases such as carbon dioxide, " Xiao said. "This study opens up lithium-sulfur batteries as a new and promising field for the nanomaterial."

This research was funded by the Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Researchers analyzed chemical interactions on the MOF cathode with instruments at EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory at PNNL.

En Enero, a Comunicaciones de la naturaleza paper by Xiao and some of her PNNL colleagues described another possible solution for lithium-sulfur batteries:developing a hybrid anode that uses a graphite shield to block polysulfides.