Crédito: Materiales funcionales avanzados 2014, 24 (19), 2772-2781.
Al hibridar sp 2 nanocarbono y carbono poroso nanoestructurado, Los investigadores han creado una batería de litio y azufre de alta energía y alta potencia en la Universidad de Tsinghua, que aparece en el Volumen 24, Número 19 de Material funcional avanzado publicado el 21 de mayo de 2014.
"Motivado por el rápido desarrollo de la electrónica portátil, vehículos eléctricos, y cosecha de energía renovable, Los dispositivos avanzados de almacenamiento de energía, como las baterías de litio, son muy buscados. "dijo el Dr. Qiang Zhang, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Tsinghua. "Dado que la batería de iones de litio tradicional ha cumplido con su limitación teórica de densidad de energía, nuestro grupo exploró el tremendo potencial de las baterías de litio-azufre, un nuevo sistema de almacenamiento de energía electroquímica, y ha llevado a cabo una amplia investigación durante unos dos años ".
Baterías de litio-azufre, empleando azufre como cátodo y litio metálico como ánodo, teóricamente ofrece una densidad de energía de 2600 Wh kg -1 , de tres a seis veces más alto que las baterías de iones de litio tradicionales cuando el azufre y el litio reaccionan por completo. Adicionalmente, el azufre del material del cátodo es naturalmente abundante, bajo costo, y respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, Todavía hay varios desafíos que deben enfrentar antes de que las baterías de litio-azufre encuentren una aplicación práctica.
"Por un lado, El azufre es altamente aislante eléctrico e iónico. Su conductividad es de varios a diez órdenes de magnitud más baja que la del LiCoO típico. 2 o LiFePO 4 material de cátodo que se encuentra en las baterías de iones de litio, requiriendo de un 25 a un 40 por ciento más de peso en agentes conductores dentro de todo el cátodo, obstaculizando así la demostración completa de la alta densidad de energía intrínseca, "Qiang le dijo a Phys.org,
"Por otra parte, debido a la ruta de reacción de múltiples pasos y fases, el intermedio altamente soluble, siempre en forma de aniones polisulfuro en forma de cadena, genera en el lado del cátodo, se difunde a través de la membrana, reacciona con el ánodo de litio, y lanzaderas de regreso. Durante todo el proceso, los polisulfuros se disuelven y reaccionan irreversiblemente con litio y componentes orgánicos, causando la destrucción de la estructura del cátodo, agotamiento del ánodo de litio, y pérdida de materiales activos. Por lo tanto, el ciclo de vida es muy pobre ".
Realmente, similar al material de ánodo avanzado como el silicio y el estaño, hay un gran cambio de volumen (alrededor del 60-70 por ciento) cuando el azufre está completamente litiado en sulfuro de litio más ligero, resultando en la falla del andamio conductor y también en la vida útil deficiente. Para resolver problemas tan multifacéticos, los investigadores necesitan desarrollar material multifuncional con alta conductividad eléctrica, una vía de iones interconectada, y espacio suficiente para alojar azufre y retardar la difusión de polisulfuros.
"El material de carbono juega un papel vital en los sistemas avanzados de almacenamiento de energía como las baterías de litio-azufre debido a su excelente conductividad, flexibilidad mecánica, y morfología y química de superficies adaptadas ", dijo el profesor Fei Wei." Nuestro grupo ha investigado el material de nanocarbono durante mucho tiempo y ha desarrollado una serie de metodologías para la producción en masa de nanotubos de carbono (CNT) y grafeno, así como su aplicación para el almacenamiento de energía. El SP 2 El nanocarbono posee una conductividad de electrones extraordinaria con una superficie específica limitada y un espacio confinado. El carbón poroso nanoestructurado, como el carbón activado y el carbón mesoporoso, tiene una superficie específica y una porosidad elevadas, pero una conductividad baja debido a la naturaleza defectuosa. Dado que ninguno de los dos puede cumplir con el requisito de las baterías de litio-azufre, la hibridación, o el 'matrimonio' de dos de estos materiales dará como resultado una nueva nanoarquitectura de carbono que hereda las ventajas y exhibe una funcionalidad superior ".
Basado en este concepto, Hong-Jie Peng, un estudiante de posgrado y el primer autor, desarrolló una estrategia de deposición química de vapor in situ seguida de pirólisis de hidrocarburos y activación química. Se fabricó una nanoarquitectura de CNT / grafeno / carbono poroso con extraordinaria conductividad eléctrica y micro / mesoporos jerárquicos para un cátodo avanzado compuesto de carbono / azufre. reservorio de masa activa. El litio-azufre resultante exhibió un ciclo de vida extendido y una capacidad de potencia superior.
"Esperamos que los materiales de carbono avanzados puedan ayudar a que las baterías de litio y azufre sean comparables al sistema impulsado por motor para el transporte eléctrico futuro". dijo Hong-Jie. Los estudios adicionales se centrarán en el aumento de la carga de azufre en el área y el contenido real, así como la innovación de la membrana, ánodo, electrólito, y toda la configuración de la celda. Adicionalmente, el material de carbono hibridado tiene aplicaciones asombrosas en supercondensadores, baterías de iones de sodio, y baterías de metal-aire, y otras tecnologías.
