La demanda de dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento está en auge. Existe la necesidad de una alta densidad de energía, baterías recargables, como vehículos eléctricos, electrónica portátil, y la recolección de energía sostenible van en aumento. Las baterías convencionales de iones de litio (Li-ion) están maduras pero tienen una densidad de energía limitada, y no satisfaga la creciente demanda de almacenamiento de energía superior.
Baterías de litio-azufre (Li-S), con una densidad de energía de tres a cinco veces mayor (~ 2600 Wh kg -1 en teoría) que las baterías de iones de litio, son un candidato prometedor. "La tremendamente alta densidad de energía de las baterías de Li-S se debe al mecanismo de reacción único. La transformación entre azufre y sulfuro de litio implica una transición de fase, dando una capacidad extremadamente alta en comparación con el mecanismo de intercalación, "dice el Dr. Qiang Zhang, profesor del Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Tsinghua, Porcelana. "En los electrolitos apróticos de uso común, la litiación del azufre se compone de una conversión sólido-líquido-sólido. Los intermedios solubles, también conocidos como polisulfuros de litio, suavizar el proceso redox y permitir una alta capacidad de cátodo ".
Desafortunadamente, El intermedio de polisulfuro soluble es tanto una bendición como una maldición. Al tiempo que contribuye a la capacidad general, la solubilidad de los polisulfuros va acompañada de difusividad, resultando en una pérdida irreversible de azufre activo en el electrolito, ánodo o volúmenes muertos.
"El deterioro de la capacidad causado por el desprendimiento de polisulfuros de la estructura del cátodo ha sido un problema importante que ha obstaculizado la amplia aplicación de las baterías Li-S. La solución habitual para resolver este problema hasta la fecha es suprimir la difusión de polisulfuro, como la adopción de capas intermedias funcionales, aditivos protectores del ánodo, y nuevas configuraciones de electrolitos, "dice Zhe Yuan, el primer autor de este trabajo. "Sin embargo, el desbordamiento de polisulfuros en el electrolito no debe atribuirse únicamente a su inevitable difusión. La lenta velocidad de reacción redox de los polisulfuros intermedios también tiene la culpa ".
Zhang y sus compañeros de trabajo encontraron una analogía intrigante del desbordamiento de polisulfuro (una inundación real) y se inspiraron. "En comparación con bloquear el diluvio con terraplenes, La excavación y ampliación de canales o canales son enfoques aparentemente más efectivos para mitigar las inundaciones. "dice Qiang." De manera similar, acelerar la reacción redox de polisulfuro, que originalmente es lento, elimina la barrera del consumo de polisulfuro, y por lo tanto alivia los efectos perjudiciales inducidos por la acumulación de polisulfuro en el electrolito ".
El equipo descubrió que era la incompatibilidad entre las moléculas de polisulfuro de litio polar y los andamios de cátodos de nanocarbono de uso común lo que restringía la reactividad redox. Los materiales de nanocarbono son excelentes para las baterías Li-S ya que son altamente conductores y porosos. Pero su característica de superficie no polar no favorece la unión por polisulfuros heteropolares, "En ese sentido, Especulamos que sería ventajoso agregar una sustancia polar con alta afinidad por los polisulfuros en la estructura del cátodo, y resultó ser cierto, "dice Zhe.
El aditivo mágico es el disulfuro de cobalto (CoS 2 ), un medio metálico, mineral abundante en la tierra. El equipo importó CoS 2 en marcos de grafeno mediante una fácil mezcla mecánica. Los cátodos modificados armados con interacciones mejoradas entre CoS 2 y los polisulfuros de litio exhibieron reacciones redox de polisulfuro sustancialmente aceleradas, promovió eficiencias energéticas y capacidades de descarga elevadas, como se informa en Nano letras .
