Los sistemas de almacenamiento de energía con alta densidad energética son esenciales para satisfacer las crecientes demandas de los dispositivos electrónicos. vehículos eléctricos, y redes inteligentes para energía solar o eólica intermitente. La batería de litio-azufre (Li-S) es un candidato prometedor para el almacenamiento de energía de próxima generación, con una densidad de energía teórica extremadamente alta que es de cinco a siete veces mayor que la de los LIB convencionales.

Sin embargo, una serie de obstáculos dificultan las aplicaciones prácticas de las baterías Li-S. Uno de los principales problemas es la difusión de polisulfuros intermedios desde el cátodo, lo que provoca la pérdida irreversible de materiales activos y el deterioro de la capacidad. El nanocarbono con una superficie no polar como materiales del cátodo no puede proporcionar suficientes efectos de unión y confinamiento para mantener los polisulfuros dentro del cátodo. Es más, el contacto electroquímico deficiente causado por la combinación débil entre polisulfuros activos y nanocarbono también impide el ciclo rápido y constante de las células Li-S.

"Se cree que el dopaje heteroátomo es una ruta prometedora para la adsorción e inmovilización de polisulfuros intermedios, "dice el profesor Qiang Zhang, un investigador de la Universidad de Tsinghua, Porcelana. "Sin embargo, el origen del efecto de anclaje proporcionado por los heteroátomos aún no está claro, lo que limita en gran medida la mejora de la adsorción de polisulfuros y el diseño racional de los materiales del cátodo ".

Más reciente, El Prof. Q. Zhang y colaboradores de la Universidad de Tsinghua junto con el Prof. B. Li del Instituto de Investigación de Metales informaron sobre un estudio teórico sobre la capacidad de una serie de materiales nanocarbonados dopados para atrapar polisulfuros. Mostró que al formar un 'enlace de litio' (un análogo del 'enlace H'), la modificación química que usa un dopante de N u O mejora significativamente la interacción entre el huésped de carbono y los huéspedes de polisulfuro y, por lo tanto, previene eficazmente el transporte de polisulfuros.

"Por primera vez, llevamos a cabo un proceso de selección química cuántica en paralelo para elegir los elementos de dopaje más eficaces que ayuden a confinar los polisulfuros ". Tingzheng Hou, dice el primer autor. "Resultó que el dopaje de N y O en materiales de nanocarbono puede formar una fuerte interacción electrostática dipolo-dipolo, que se identificó por primera vez como la interacción dominante entre nanocarbonos dopados y polisulfuros de litio, mientras que F, B, PAG, Los dopantes S y Cl eran incapaces de formar eso ".

El trabajo experimental informado por otros investigadores coincidió con este resultado predictivo. Por ejemplo, el electrodo de papel de grafeno dopado con N exhibió una alta capacidad específica de aproximadamente 1000 mAh g ^-1 después de 100 ciclos y una excelente eficiencia culómbica del 98 por ciento para la celda de Li-S de tipo catolito. De este modo, se puede lograr una vida útil mucho más prolongada de más de 2000 ciclos y una tasa de disminución de la capacidad extremadamente baja de 0.028 por ciento por ciclo.

"Para lograr el efecto de pareja fuerte hacia los polisulfuros, propusimos un conjunto de reglas para el diseño racional de andamios de carbono dopado en baterías Li-S según nuestro cálculo, "dice Hou, "Con estas condiciones cumplidas, el carbono dopado podría ofrecer un dipolo fuerte con elección de par solitario para formar una fuerte interacción dipolo-dipolo electrostática con polisulfuros y mejorar la interacción. El factor clave es la electronegatividad de los átomos de dopaje ".

Para dilucidar la importancia de la electronegatividad, Qiang y sus colaboradores propusieron una relación implícita en la trama del volcán que correlaciona la electronegatividad de los átomos de dopaje con las energías de adsorción para arrojar luz sobre la formación del fuerte efecto de anclaje. Esta relación proporciona una nueva comprensión de la detección y el diseño racional de materiales de nanocarbono dopados para inmovilizar polisulfuros.

"Si vamos un paso más allá de las reglas y el plan volcánico para buscar un avance más allá del límite máximo de monodopaje, hay nanomateriales de codopaje en los que dos o más dopantes adyacentes entre sí fortalecen sinérgicamente el momento dipolar y ofrecen una afinidad aún mejor por los polisulfuros ", dijo el profesor Qiang. En un futuro próximo, estudiarán más a fondo el efecto de sinergia del dopaje conjunto y explorarán la posibilidad de mejorar aún más las interacciones interfaciales en la interfaz del cátodo.