Investigadores de Corea del Sur han desarrollado una tecnología innovadora para mejorar drásticamente la velocidad de carga de las baterías de litio-azufre, reduciéndolo a 12 minutos.
El equipo utilizó un nuevo material de carbono poroso dopado con nitrógeno para abordar el problema de la baja velocidad de carga que ha dificultado la comercialización de las baterías de litio-azufre existentes.
Las baterías de iones de litio son indispensables para tecnologías ecológicas como los vehículos eléctricos. A pesar de estar limitadas por la baja capacidad de almacenamiento de energía y los altos costos, han ganado atención como baterías de próxima generación debido a su alta densidad energética y el bajo costo del azufre como material. Aun así, la comercialización ha sido un desafío debido a la utilización insuficiente de azufre durante la carga rápida, lo que reduce la capacidad de la batería.
Otro problema son los polisulfuros de litio producidos durante el proceso de descarga. Estos compuestos migran dentro de la batería, degradando su rendimiento. Para abordar esto, los investigadores han estado desarrollando baterías incorporando azufre en estructuras de carbono porosas. Sin embargo, aún no han logrado niveles de rendimiento adecuados para la comercialización.
Para resolver estos desafíos, el profesor Jong-sung Yu y su equipo del DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) sintetizó un nuevo material de carbono multiporoso altamente grafítico dopado con nitrógeno y lo aplicó al cátodo de una batería de litio-azufre. Esta tecnología mantuvo con éxito una alta capacidad energética incluso en condiciones de carga rápida. La investigación se publicó en la revista ACS Nano.
El material de carbono recientemente desarrollado se sintetizó empleando un método de reducción térmica que involucra magnesio y ZIF-8, una estructura orgánica de metal. A altas temperaturas, el magnesio reacciona con el nitrógeno en ZIF-8, lo que hace que la estructura del carbono sea más estable y robusta al tiempo que crea una estructura de poros diversa. Esta estructura no solo permite una mayor carga de azufre, sino que también mejora el contacto entre el azufre y el electrolito, lo que mejora significativamente el rendimiento de la batería.
La batería de litio-azufre desarrollada en este estudio utilizó el material de carbono multifuncional sintetizado, a través del simple método de reducción térmica asistida por magnesio, como anfitrión de azufre. Incluso en condiciones de carga rápida con un tiempo de carga completa de solo 12 minutos, la batería alcanzó una alta capacidad de 705 mAh g-1, lo que representa una mejora de 1,6 veces con respecto a las baterías convencionales.
Además, el dopaje con nitrógeno en la superficie del carbono suprimió eficazmente la migración de polisulfuro de litio, lo que permitió que la batería conservara el 82 % de su capacidad incluso después de 1.000 ciclos de carga y descarga, lo que demostró una excelente estabilidad.
Durante la investigación, el equipo colaborativo, dirigido por el Dr. Khalil Amine del Laboratorio Nacional de Argonne, realizó análisis microscópicos avanzados. Estos análisis confirmaron que el sulfuro de litio (Li2S) se formó en una orientación específica dentro de las estructuras en capas del material de carbono recientemente desarrollado. Este hallazgo validó que el dopaje con nitrógeno y la estructura porosa del carbono mejoraron la carga de azufre, mientras que la naturaleza grafítica del carbono aceleró las reacciones de azufre, mejorando así la velocidad de carga.
El profesor Yu comentó: "Esta investigación se centró en mejorar la velocidad de carga de las baterías de litio-azufre mediante un método de síntesis simple que involucra magnesio. Esperamos que este estudio acelere la comercialización de las baterías de litio-azufre".
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