Azufre, en tremenda abundancia como subproductos de la industria del petróleo, es una de las soluciones más intrigantes para abordar el dilema energético al manifestar la química entre el azufre y el litio. Por lo tanto, Las baterías de litio-azufre que emplean un par redox de litio-azufre brindan teóricamente una densidad de energía de 2600 Wh kg-1, que es 3-5 veces más alto que las baterías de iones de litio tradicionales. Aunque es una perspectiva prometedora, todavía existen varios obstáculos que dificultan su aplicación práctica. Uno de los más importantes es el rápido desvanecimiento de la capacidad.
"El rápido deterioro de la capacidad de la batería de litio-azufre se atribuye a muchos aspectos. Una de las razones más ampliamente aceptadas se debe a los polisulfuros intermedios. Los polisulfuros son una forma de transición del azufre, parcialmente litiado, que es altamente polar y soluble en el electrolito orgánico típico que usamos. Durante el alta, se disuelven en el electrolito, difunden de cátodo a ánodo, y reacciona con el ánodo de litio. Los materiales activos se pierden de esta manera, causando el desvanecimiento de la capacidad, "dijo el Dr. Qiang Zhang, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Tsinghua. "Este tema causa una enorme preocupación y se dedica un esfuerzo considerable para abordar este problema. Pero también estamos interesados en otro tema, la fluctuación dinámica de la afinidad entre diferentes especies de azufre y materiales conductores conductores ".
"Debido al proceso de transferencia de múltiples electrones, las especies de azufre varían desde el azufre elemental inicial, polisulfuros intermedios, y producto de descarga final de sulfuros de litio. El azufre es apolar y por tanto exhibe la mayor afinidad por los huéspedes de carbono convencionales. Si bien los polsulfuros y los sulfuros de litio son altamente polares, debilitando la interacción entre ellos y el carbono. Debido a esta mala interacción, se desprenden fácilmente del huésped de carbono y no aportan capacidad. Como resultado, el rendimiento de una batería de litio-azufre se deteriora rápidamente cuando solo se emplean huéspedes de carbono puro, "dijo Qiang." En consecuencia, una cuestión clave es cómo elegir un material huésped ideal con alta afinidad tanto por el azufre no polar como por los polisulfuros polares, así como sulfuros de litio ".
Aquí en, Se adoptaron nanotubos de carbono dopados con nitrógeno como material huésped para el cátodo de azufre. Los átomos de nitrógeno con mayor electronegatividad se incorporan en las redes grafíticas de los nanotubos de carbono, que ha demostrado su capacidad para ajustar la estructura electrónica y las propiedades de la superficie. ¿Cómo afectan los átomos de nitrógeno dopados al comportamiento electroquímico cuando se aplican nanotubos de carbono dopados con nitrógeno para baterías de litio-azufre?
Hong-Jie Peng, un estudiante de posgrado y el primer autor, respondió deliberadamente a esta pregunta. "Primeramente, Realizamos un estudio de la teoría funcional de la densidad (DFT) y diseñamos tres modelos moleculares para ilustrar el carbono puro, carbono con nitrógeno en el borde, que llamamos nitrógeno piridínico, y carbono con nitrógeno que sustituye al átomo de carbono central, que llamamos nitrógeno cuaternario. Mediante cálculo teórico, encontramos que los nanotubos de carbono dopados con nitrógeno exhibían una interacción más fuerte con polisulfuros y sulfuros de litio. Esto se atribuye a la adsorción de estas especies de azufre polar en los sitios dopados con nitrógeno cargados negativamente. Reveló que valdría la pena intentarlo con nanotubos de carbono dopados con nitrógeno ".
"Luego, Acabamos de preparar compuestos de nanotubos de carbono / azufre dopados con nitrógeno y montar baterías para comprobar si nuestros resultados teóricos eran fiables. Asombrosamente, el experimento electroquímico coincidió muy bien con la predicción teórica. En comparación con la batería basada en nanotubos de carbono sin procesar, la vida ciclista se promovió significativamente seis veces. Es más, El delicado análisis electroquímico apoyó los resultados teóricos y el rendimiento de la celda ", dijo Hong-Jie. Este trabajo propone la importancia de una interfaz dinámica estable entre los huéspedes de carbono y los huéspedes que contienen azufre y arroja una nueva luz sobre el mecanismo de desintegración de la batería de litio-azufre, que fue publicado recientemente en Interfaces de materiales avanzadas .
"Se explorarán materiales hospedantes más avanzados que satisfagan la demanda de anfifilicidad de las especies de azufre polar y no polar, "Dijo Qiang.
