La tecnología actual de baterías de iones de litio no tiene la densidad energética necesaria para satisfacer las demandas de energía renovable. En teoría, las baterías de litio-azufre podrían ser una alternativa viable con una mayor capacidad específica y densidad energética. Sin embargo, el azufre tiene desventajas que actualmente limitan su adopción práctica.
Una revisión exhaustiva publicada en Nano Research describe cómo los materiales catódicos basados en estructuras organometálicas podrían mejorar el rendimiento de las baterías de litio-azufre, convirtiéndolas en una alternativa práctica a las baterías de iones de litio.
"La aplicación de baterías de litio-azufre de alto rendimiento todavía se ve obstaculizada por algunos problemas importantes, lo que lleva a una capacidad práctica y una estabilidad cíclica inaceptables", afirmó Weihua Chen, investigador de la Universidad de Zhengzhou.
"En primer lugar, la mala conductividad eléctrica del azufre y la de los productos de descarga aumentan significativamente cierta resistencia interna de las baterías, lo que limita la eficiencia de utilización de los materiales activos. Además, la fuerte expansión volumétrica de los cátodos de azufre después del proceso de litiación provoca la pulverización estructural de los electrodos. "
Con estas limitaciones, las baterías de litio-azufre presentan problemas de seguridad, así como de rendimiento, que actualmente impiden su adopción generalizada.
La solución podrían ser cátodos de azufre avanzados fabricados a partir de estructuras organometálicas. Las estructuras organometálicas suelen estar formadas por un ion/grupo metálico y tienen propiedades únicas, como alta porosidad, tamaño de poro ajustable y estructura de poro controlable.
Aún no se han adoptado estructuras organometálicas prístinas en las baterías de litio-azufre debido a la mala conductividad eléctrica y la insuficiente estabilidad estructural; sin embargo, estudios recientes han demostrado cómo las estructuras organometálicas se pueden combinar con materiales conductores, como el grafeno, los nanotubos de carbono y algunos polímeros.
"Debido a la microestructura porosa, la superficie específica accesible ultragrande y el grupo de funciones ajustable, los materiales basados en estructuras organometálicas han recibido la atención de los investigadores como posibles anfitriones de cátodos para baterías de litio-azufre y han logrado avances significativos. En particular, Los materiales relacionados con estructuras organometálicas podrían restringir eficazmente la disolución y difusión del polisulfuro en los electrolitos", afirmó Chen.
Esta revisión de artículos publicados analizó estructuras organometálicas prístinas, diferentes compuestos de estructuras organometálicas y derivados de estructuras organometálicas. Estos componentes orgánicos y metálicos inorgánicos inalterados tienen estructuras cristalográficas y son prometedores para almacenar el azufre activo. Sin embargo, la mayoría de ellos no tienen la conductividad necesaria para un funcionamiento eficaz de la batería.
Los compuestos de estructuras organometálicas mejoran las propiedades de las estructuras organometálicas, mejorando la conductividad y reforzando la estabilidad estructural. El grafeno, los nanotubos de carbono y los polímeros conductores son opciones viables para mejorar las limitaciones de las estructuras organometálicas prístinas. Otra alternativa son los materiales derivados de estructuras organometálicas o derivados de estructuras organometálicas.
Por ejemplo, los materiales de carbono derivados de la estructura organometálica pueden facilitar las transferencias de electrones e iones y resolver los problemas de expansión de volumen que se encuentran dentro de los cátodos de azufre, pero podrían comprometer la estructura de la estructura organometálica. Se están realizando investigaciones sobre cómo estos diferentes materiales podrían mejorarse y utilizarse mejor en baterías de litio-azufre.
De cara al futuro, los investigadores continúan explorando cómo los materiales basados en estructuras organometálicas y sus características únicas pueden mejorar el rendimiento de las baterías de litio-azufre.
"Los materiales relacionados con estructuras metal-orgánicas están surgiendo como materiales prometedores de cátodos de azufre para baterías de litio-azufre. A pesar de los importantes avances de los últimos años, todavía existen desafíos que superar para la comercialización de baterías de litio-azufre. Se necesitará tiempo y esfuerzo para lograr una aplicación práctica de materiales relacionados con estructuras organometálicas en baterías de litio-azufre, pero esta revisión podría ofrecer una guía útil para el desarrollo futuro de estos materiales", afirmó Chen.
Más información: Zhengkun Xie et al, Materiales catódicos basados en estructuras metálicas orgánicas para baterías Li-S avanzadas:una revisión exhaustiva, Nano Research (2024). DOI:10.1007/s12274-024-6481-0
Información de la revista: Nanoinvestigación
Proporcionado por Tsinghua University Press
