Mejora de las baterías de litio-azufre con materiales basados en marcos orgánicos metálicos
La tecnología actual de baterías de iones de litio no tiene la densidad energética necesaria para satisfacer la demanda de energías renovables. En teoría, las baterías de litio-azufre podrían ser una alternativa viable con una mayor capacidad específica y densidad energética. Sin embargo, el azufre presenta desventajas que actualmente limitan su adopción práctica.
Este gráfico muestra las ventajas de los materiales basados en MOF y su uso en las baterías de litio-azufre, que tienen muchas ventajas sobre la tecnología actual de iones de litio. Algunas ventajas son la facilidad de fabricación, la alta conductividad y una estructura robusta que mejoran el funcionamiento de las baterías de litio-azufre.
Weihua Chen, Zhengzhou University
Una exhaustiva revisión publicada en Nano Research el 8 de febrero describe cómo los materiales catódicos basados en marcos orgánicos metálicos podrían mejorar el rendimiento de las baterías de litio-azufre, convirtiéndolas en una alternativa práctica a las de iones de litio.
Según Weihua Chen, investigador de la Universidad de Zhengzhou, "la aplicación de baterías de litio-azufre de alto rendimiento sigue viéndose obstaculizada por algunos problemas importantes, que conducen a una capacidad práctica y una estabilidad cíclica inaceptables". "En primer lugar, la escasa conductividad eléctrica del azufre y la de los productos de descarga aumentan significativamente algunas resistencias internas de las baterías, lo que limita la eficiencia de utilización de los materiales activos. Además, la fuerte expansión volumétrica de los cátodos de azufre tras el 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.
Los cátodos de azufre avanzados fabricados a partir de marcos orgánicos metálicos podrían ser la solución. Las estructuras orgánicas metálicas suelen estar formadas por un clúster de iones metálicos y tienen propiedades únicas, como una elevada porosidad, un tamaño de poro ajustable y una estructura de poro controlable. Los marcos orgánicos metálicos prístinos aún no se han adoptado en las baterías de litio-azufre debido a su escasa conductividad eléctrica y a su insuficiente estabilidad estructural; sin embargo, estudios recientes han demostrado cómo los marcos orgánicos metálicos pueden combinarse con material conductor, como el grafeno, los nanotubos de carbono y algunos polímeros.
"Debido a su microestructura porosa, a su gran superficie específica accesible y a su grupo funcional ajustable, los materiales basados en estructuras orgánicas metálicas han recibido la atención de los investigadores como posibles cátodos para las baterías de litio-azufre y han realizado importantes avances. En particular, los materiales relacionados con los marcos orgánicos metálicos podrían frenar eficazmente la disolución y difusión del polisulfuro en los electrolitos", afirmó Chen.
En esta revisión de artículos publicados se analizaron estructuras orgánicas metálicas prístinas, distintos compuestos de estructuras orgánicas metálicas y derivados de estructuras orgánicas metálicas. Estos componentes inorgánicos metálicos y orgánicos inalterados tienen estructura cristalográfica y resultan prometedores para almacenar el azufre activo; sin embargo, la mayoría de ellos no tienen la conductividad necesaria para el funcionamiento eficaz de las pilas.
Los compuestos de marcos orgánicos metálicos potencian las propiedades de los marcos orgánicos metálicos, 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 los marcos orgánicos metálicos prístinos. Otra alternativa son los materiales derivados de las estructuras orgánicas metálicas o sus derivados. Por ejemplo, los materiales de carbono derivados de los marcos orgánicos metálicos pueden facilitar la transferencia de electrones e iones y resolver los problemas de expansión de volumen que presentan los cátodos de azufre, pero podrían comprometer la estructura del marco orgánico metálico. Se está investigando cómo mejorar estos materiales y cómo utilizarlos mejor en las baterías de litio-azufre.
De cara al futuro, los investigadores siguen estudiando cómo los materiales basados en marcos orgánicos metálicos y sus características únicas pueden mejorar el rendimiento de las baterías de litio-azufre. "Los materiales relacionados con los marcos orgánicos metálicos están emergiendo como prometedores materiales de cátodo de azufre para las baterías de litio-azufre. A pesar de los importantes avances de los últimos años, aún quedan retos por superar para la comercialización de las baterías de litio-azufre. Llevará tiempo y esfuerzo lograr la aplicación práctica de los materiales relacionados con los marcos orgánicos metálicos en las baterías de litio-azufre, pero esta revisión podría ofrecer una orientación útil para el futuro desarrollo de estos materiales", dijo Chen.
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.
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