Los químicos descifran un proceso de reacción que podría mejorar las baterías de litio-azufre
Una combinación de tecnología de baterías y catálisis abre nuevas vías para conseguir baterías baratas y de gran capacidad
Las baterías de litio-azufre pueden almacenar entre cinco y diez veces más energía que las actuales baterías de iones de litio de última generación a un coste mucho menor. Las baterías de iones de litio actuales utilizan óxido de cobalto como cátodo, un mineral caro que se extrae de forma perjudicial para las personas y el medio ambiente. Las baterías de litio-azufre sustituyen el óxido de cobalto por azufre, que es abundante y barato y cuesta menos de una centésima parte que el cobalto.
Pero hay una trampa: Las reacciones químicas, sobre todo la de reducción del azufre, son muy complejas y no se conocen bien, y las reacciones secundarias no deseadas podrían acabar con la vida de las baterías mucho antes que con las tradicionales.
Ahora, unos investigadores dirigidos por los químicos de la UCLA Xiangfeng Duan y Philippe Sautet han descifrado las vías clave de esta reacción. Estos hallazgos, recogidos en un artículo publicado en la revista Nature, ayudarán a perfeccionar la reacción para mejorar la capacidad y la vida útil de las baterías.
En la reacción de reducción del azufre en una batería de litio-azufre intervienen 16 electrones para convertir una molécula anular de azufre de ocho átomos en sulfuro de litio en una red de reacción catalítica con numerosas ramificaciones entrelazadas y diferentes productos intermedios llamados polisulfuros de litio y muchos otros subproductos. Al tratarse de una reacción tan compleja, con muchos caminos que se ramifican entre sí y muchos productos intermedios que son importantes para continuar la reacción, ha sido difícil estudiarla y aún más averiguar en qué partes de la reacción hay que centrarse para mejorar el rendimiento de la pila.
"A pesar de los grandes esfuerzos dedicados a mejorar el rendimiento aparente de las baterías de litio-azufre, el mecanismo fundamental de la reacción sigue sin resolverse", explica Duan, autor correspondiente y profesor de Química y Bioquímica de la UCLA. "La rama principal en esta red de reacción para la reacción de reducción del azufre sigue siendo un tema de considerable debate".
Un problema de especial interés es una reacción secundaria en la que los polisulfuros intermedios migran, lo que se denomina "shuttling", al ánodo de metal de litio y reaccionan con él, consumiendo tanto azufre como litio y provocando una pérdida de energía y una rápida reducción de la capacidad de almacenamiento. Una identificación clara de los intermediarios clave y una mejor comprensión de cómo se producen o consumen ayudaría a los científicos a controlar esta migración entre electrodos y minimizar el desperdicio de azufre y litio.
El nuevo estudio descifra por primera vez toda la red de reacciones, determina la vía molecular dominante y desvela el papel crítico de la electrocatálisis en la modificación de la cinética de la reacción.
El equipo utilizó primero cálculos teóricos para trazar todas las posibles vías de reacción y los productos intermedios asociados, y luego análisis electroquímicos y espectroscópicos para validar los resultados computacionales.
El rendimiento de la batería estaba dominado por el Li2S4 como principal producto intermedio y la catálisis resultó ser crucial para convertir completamente el Li2S4 en el producto final de descarga (Li2S). Los electrodos de carbono dopados con azufre y nitrógeno pueden facilitar eficazmente esta conversión. Su estudio también descubrió que el Li2S6 intermedio no participa directamente en el proceso electroquímico, pero está presente como producto principal de reacciones químicas secundarias y contribuye significativamente al indeseado efecto de desplazamiento del polisulfuro.
"Nuestro estudio proporciona una comprensión fundamental de la reacción de reducción del azufre en las baterías de litio-azufre y demuestra que un material de electrodo catalítico correctamente diseñado puede acelerar las reacciones de carga y descarga, mitigar las reacciones secundarias y mejorar la vida útil del ciclo", dijo Duan, que en diciembre fue elegido miembro 2023 por la Academia Nacional de Inventores.
"La combinación de la tecnología de las baterías y la ciencia de la catálisis abre nuevas vías para dispositivos de conversión de energía rápidos y de gran capacidad", ha declarado Sautet, que ocupa la Cátedra de Excelencia Levi James Knight, Jr. Cátedra de Excelencia.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Rongli Liu, Ziyang Wei, Lele Peng, Leyuan Zhang, Arava Zohar, Rachel Schoeppner, Peiqi Wang, Chengzhang Wan, Dan Zhu, Haotian Liu, Zhaozong Wang, Sarah H. Tolbert, Bruce Dunn, Yu Huang, Philippe Sautet, Xiangfeng Duan; "Establishing reaction networks in the 16-electron sulfur reduction reaction"; Nature, Volume 626, 2024-1-31
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