Una inusual elección de material produce baterías increíblemente duraderas
La sílice no conductora podría ser la clave para realizar la próxima generación de baterías de litio y azufre
El enorme aumento en el uso de la tecnología móvil, la electrónica vestible y una amplia gama de dispositivos portátiles en general durante las últimas décadas, ha llevado a los científicos de todo el mundo a buscar el próximo avance en materia de baterías recargables. Las baterías de litio-azufre (LSB) -compuestas de un cátodo a base de azufre y un ánodo de litio sumergido en un electrolito líquido- son candidatos prometedores para reemplazar la omnipresente batería de iones de litio debido a su bajo costo y a la no toxicidad y abundancia de azufre.
El sílice, uno de los óxidos metálicos más abundantes, es de bajo costo, fácil de procesar y podría convertirse en un componente clave de la próxima generación de baterías recargables.
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Sin embargo, el uso de azufre en las baterías es complicado por dos razones. En primer lugar, durante el ciclo de "descarga", los polisulfuros de litio solubles (LiPS) se forman en el cátodo, se difunden en el electrolito y llegan fácilmente al ánodo, donde degradan progresivamente la capacidad de la batería. En segundo lugar, el azufre no es conductor. Por lo tanto, se requiere un material conductor y poroso para acomodar el azufre y simultáneamente atrapar los LiPS en el cátodo. En el pasado reciente, se han explorado las estructuras huésped basadas en el carbono debido a su conductividad. Sin embargo, los huéspedes basados en el carbono no pueden atrapar el LiPS.
En un estudio reciente publicado en Advanced Energy Materials, los científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk propusieron una novedosa estructura de huésped llamada "sílice mesoporosa ordenada por plaquetas (pOMS)". Lo que es inusual en su elección es que la sílice, un óxido metálico de bajo coste, es en realidad no conductor. Sin embargo, la sílice es altamente polar y atrae a otras moléculas polares como el LiPS.
Tras la aplicación de un agente conductor basado en el carbono a la estructura pOMS, el azufre sólido inicial en los poros de la estructura se disuelve en el electrolito, desde donde se difunde hacia el agente conductor basado en el carbono para ser reducido para generar LiPS. De esta manera, el azufre participa efectivamente en las reacciones electroquímicas necesarias a pesar de la no conductividad de la sílice. Mientras tanto, la naturaleza polar de la pOMS asegura que el LiPS permanezca cerca del cátodo y lejos del ánodo.
Los científicos también construyeron una estructura análoga no polar, altamente conductiva, de huésped de carbono poroso convencional para realizar experimentos comparativos con la estructura pOMS. El profesor Jong-Sung Yu, que dirigió el estudio, señala: "La batería con el huésped de carbono exhibe una alta capacidad inicial que pronto se reduce debido a la débil interacción entre el carbono no polar y el LiPS. La estructura de sílice retiene claramente mucho más azufre durante los ciclos continuos; esto da como resultado una retención de capacidad mucho mayor y una estabilidad durante hasta 2000 ciclos".
Sin embargo, considerando todo esto, tal vez la conclusión más importante que se desprende de este estudio es que las estructuras de huéspedes de los LSB no tienen por qué ser tan conductivas como se pensaba anteriormente. El Profesor Yu comenta: "Nuestros resultados son sorprendentes, ya que nadie podría haber pensado que la sílice no conductora podría ser un huésped de azufre altamente eficiente e incluso superar a los huéspedes de carbono de última generación". Este estudio amplía la selección de materiales huéspedes para LSB y podría conducir a un cambio de paradigma en la realización de baterías de azufre de próxima generación.
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