A pesar de estas ventajas, el uso de baterías Li-S ha sido limitado hasta ahora, ya que muchas de estas baterías también tienen un ciclo de vida bajo y una alta tasa de autodescarga. Además, la alta densidad de energía prevista para las baterías Li-S a menudo se vuelve mucho menor en aplicaciones reales, debido a las altas velocidades a las que se cargan y descargan.

Una reacción química que desempeña un papel central para garantizar la alta capacidad de las baterías Li-S es la llamada reacción de reducción de azufre (SRR). Esta reacción ha sido ampliamente estudiada, pero sus tendencias cinéticas a altas velocidades de corriente siguen siendo poco conocidas.

Investigadores de la Universidad de Adelaida, la Universidad de Tianjin y el Sincrotrón australiano llevaron a cabo recientemente un estudio destinado a delinear la tendencia cinética de SRR, para informar el desarrollo futuro de baterías Li-S de alta potencia. Su artículo, publicado en Nature Nanotechnology , también presenta un electrocatalizador de carbono nanocompuesto que mejora el rendimiento de las baterías Li-S, logrando una retención de la capacidad de descarga de aproximadamente el 75 %.

"La actividad de los electrocatalizadores para la reacción de reducción de azufre (SRR) se puede representar mediante gráficos de volcanes, que describen tendencias termodinámicas específicas", escribieron Huan Li, Rongwei Meng y sus colegas en su artículo. "Sin embargo, aún no está disponible una tendencia cinética que describa el SRR a altas tasas de corriente, lo que limita nuestra comprensión de las variaciones cinéticas y obstaculiza el desarrollo de baterías Li||S de alta potencia. Utilizando el principio de Le Chatelier como guía, establecemos una Tendencia cinética SRR que correlaciona las concentraciones de polisulfuro con las corrientes cinéticas."

Para examinar más a fondo la tendencia cinética del SRR a altas corrientes, los investigadores también recopilaron mediciones de espectroscopía de adsorción de rayos X de sincrotrón y realizaron varios cálculos de orbitales moleculares. En general, sus resultados sugieren que la ocupación orbital en catalizadores basados ​​en metales de transición está relacionada con la concentración de polisulfuro en las baterías y, en consecuencia, también con las predicciones cinéticas de SRR.

Basándose en la tendencia cinética que delinearon, Li, Meng y sus colaboradores diseñaron un nuevo electrocatalizador nanocompuesto compuesto por un material a base de carbono y grupos de CoZn. Luego integraron este catalizador en una celda de batería de Li-S y probaron su rendimiento, centrándose en sus tasas de carga y descarga.

"Cuando el electrocatalizador se utiliza en un electrodo positivo a base de azufre (5 mg cm ⁻² de carga de S), la correspondiente celda de botón de Li||S (con una relación de masa de electrolito:S de 4,8) se puede realizar 1000 ciclos a 8°C (es decir, 13,4 A g_S ^-1 , basado en la masa de azufre) y 25°C", escribieron los investigadores.

"Esta celda demuestra una retención de capacidad de descarga de aproximadamente el 75% (capacidad de descarga final de 500 mAh g_S ^-1 ) correspondiente a una potencia específica inicial de 26.120 W kg_S ^-1 y energía específica de 1.306 Wh kg_S ^-1 ."

En general, el estudio reciente de Li, Meng y sus colegas muestra que el aumento de las concentraciones de polisulfuro promueve una cinética de SRR más rápida; por tanto, los catalizadores que aumentan la concentración de polisulfuro podrían acelerar esta reacción. Este resultado fue validado mediante cálculos teóricos y mediciones experimentales.

Basándose en sus observaciones, los investigadores ya introdujeron un electrocatalizador que mejoraba la retención de capacidad y la estabilidad cíclica de una batería Li-S. En el futuro, su trabajo podría inspirar el diseño de otros catalizadores prometedores, contribuyendo potencialmente al desarrollo de nuevas tecnologías de baterías Li-S de alta potencia.