La mayoría de las baterías recargables que alimentan dispositivos portátiles, como juguetes, aspiradoras de mano y bicicletas eléctricas, utilizan tecnología de iones de litio. Pero estas baterías pueden tener una vida corta y provocar un incendio si se dañan. Para abordar los problemas de estabilidad y seguridad, informan los investigadores Cartas de Energía ACS han diseñado una batería de litio-azufre (Li-S) con un cátodo de sulfuro de hierro mejorado. Un prototipo permanece muy estable durante 300 ciclos de carga y descarga y el otro proporciona energía incluso después de haber sido plegado o cortado.
Se ha propuesto el azufre como material para las baterías de iones de litio debido a su bajo costo y su capacidad para retener más energía que los óxidos metálicos de litio y otros materiales utilizados en las versiones convencionales basadas en iones. Para hacer que las baterías de Li-S sean estables a altas temperaturas, los investigadores han propuesto utilizar un electrolito a base de carbonato para separar los dos primeros electrodos (un cátodo de sulfuro de hierro y un ánodo compuesto de litio metálico). Sin embargo, a medida que el sulfuro se disuelve en el electrolito en el cátodo, forma un precipitado impermeable, lo que hace que la celda pierda capacidad rápidamente. Leping Wang y sus colegas se preguntaron si podrían agregar una capa entre el cátodo y el electrolito para reducir esta corrosión sin reducir la funcionalidad y la recargabilidad.
El equipo recubrió cátodos de sulfuro de hierro con varios polímeros y descubrió en pruebas preliminares de rendimiento electroquímico que el ácido poliacrílico (PAA) funcionó mejor, manteniendo la capacidad de descarga del electrodo después de 300 ciclos de carga y descarga. A continuación, los investigadores incorporaron el cátodo de sulfuro de hierro recubierto de PAA en un prototipo de diseño de batería, que también incluía un electrolito a base de carbonato, una lámina de metal de litio como fuente de iones y un ánodo a base de grafito. Desarrollaron prototipos de baterías de tipo bolsa y tipo botón y luego los probaron.
Después de más de 100 ciclos de carga y descarga, Wang y sus colegas no observaron una pérdida significativa de capacidad en la celda de la bolsa. Experimentos adicionales demostraron que las células de la bolsa funcionaban incluso después de doblarlas y cortarlas por la mitad. La pila de botón retuvo el 72% de su capacidad después de 300 ciclos de carga y descarga. Luego aplicaron el recubrimiento de polímero a cátodos hechos de otros metales, creando baterías de litio-molibdeno y litio-vanadio. Estas celdas también tenían una capacidad estable superior a 300 ciclos de carga-descarga. En general, los resultados muestran que los cátodos recubiertos pueden producir no sólo baterías Li-S seguras con una larga vida útil, sino también baterías eficientes con otros sulfuros metálicos, según el equipo de Wang.
Los autores agradecen la financiación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China. Fundación de Ciencias Naturales de Sichuan, China; y el Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada de Beijing.
