Síntesis en 30 minutos de materiales catódicos para baterías flexibles de litio-azufre
La innovadora batería de litio-azufre proporciona alta densidad energética, carga rápida y flexibilidad mecánica
Los teléfonos móviles plegables están ganando popularidad en estos días. A medida que aumenta la popularidad de estos dispositivos flexibles inteligentes y de los vehículos eléctricos, crece la demanda de sistemas de almacenamiento de energía de alta energía, larga duración y carga rápida. Las actuales tecnologías de baterías de iones de litio no pueden satisfacer esta demanda, por lo que la atención se está desplazando progresivamente hacia las baterías de nueva generación. Recientemente, un equipo de investigación de POSTECH ha conseguido sintetizar un material de cátodo de batería de litio-azufre en sólo 30 minutos utilizando azufre, que se desecha como subproducto del procesamiento de la refinería de petróleo.
Imágenes de la prueba de la batería flexible de litio-azufre
POSTECH
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Moon Jeong Park y la candidata al doctorado Haneol Kang, del Departamento de Química de POSTECH, ha desarrollado una innovadora batería de litio-azufre (Li-S) que proporciona alta densidad energética, carga rápida y flexibilidad mecánica. Se trata de la primera síntesis de copolímeros ricos en azufre ordenados jerárquicamente mediante una vulcanización inversa con un tiempo de reacción rápido, inferior a 30 minutos, sin utilizar tensioactivos ni estabilizadores estéricos.
A diferencia de los materiales catódicos basados en metales de transición, altamente tóxicos, que se utilizan actualmente, el azufre está atrayendo la atención gracias a su bajo coste, su abundancia natural y su baja toxicidad. En concreto, la batería Li-S tiene una alta densidad energética teórica (2.600Wh kg-1) y una gran capacidad (1672mAh g-1), lo que demuestra su potencial como batería de nueva generación. Sin embargo, el azufre tiene una conductividad eléctrica fundamentalmente baja, lo que dificulta la utilización completa de los materiales activos, ralentizando así los ciclos de carga/descarga. También tiene el inconveniente de su alta solubilidad en los electrolitos, lo que reduce la vida útil de la batería.
Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación no utilizó el proceso de fusión-difusión -a diferencia del electrodo de azufre convencional-, sino que llevó a cabo una copolimerización mediante la vulcanización inversa de azufre y ácido vinilfosfónico (VPA) para sintetizar partículas de polímero a base de azufre en sólo 30 minutos. Las partículas de azufre resultantes están compuestas por una red de azufre α separada y azufre-VPA (SVPA) basada en alótropos de azufre de baja densidad.
La clave para formar partículas ordenadas jerárquicamente de tamaño uniforme en poco tiempo es la reacción autocatalítica entre los radicales de azufre y el VPA. Al principio de la reacción se forman largas cadenas de azufre a las que se une el VPA para estabilizar la forma esférica del SVPA sin un surfactante. Curiosamente, se demostró que en la superficie de las partículas de SVPA se forman espontáneamente arrugas y poros como los de la piel humana, lo que facilita la penetración del electrolito en el cátodo y al mismo tiempo alivia la tensión mecánica aplicada a la superficie del electrodo.
De este modo, los investigadores comprobaron que era posible introducir una estructura porosa en el propio material activo a partir de un sencillo método de síntesis para facilitar la penetración del electrolito, y mejorar la integridad mecánica del electrodo mediante la incrustación de alótropos de azufre en estructuras de SVPA con baja expansión de volumen. Además, los investigadores impidieron eficazmente la elución del polisulfuro de litio a través de los grupos funcionales del ácido fosfónico presentes en abundancia en la superficie del material activo, consiguiendo así unas excelentes características de la batería de litio-azufre. El propio material activo tiene una excelente elasticidad y la ventaja de ser un polímero reticulado, lo que demuestra su potencial como electrodo flexible.
"En este estudio se ha desarrollado una batería flexible de litio-azufre mediante la síntesis de un polímero vulcanizado inverso con abundantes grupos de ácido fosfónico de forma económica y ecológica", explicó el profesor Moon Jeong Park, que dirigió el estudio. "Los hallazgos son significativos porque ha atrapado químicamente los polisulfuros de litio, resolviendo el problema de elución que ha obstaculizado la comercialización, y ha aumentado el uso potencial en baterías de dispositivos portátiles al añadir características flexibles al cátodo de azufre, lo que ha sido difícil de implementar hasta ahora."
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