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 útil corta y pueden incendiarse si se dañan. Para abordar los problemas de estabilidad y seguridad, informan los investigadores Cartas de Energía ACS diseñó 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 entrega energía incluso después de doblarlo o cortarlo.
Se ha propuesto el azufre como material para las baterías de iones de litio debido a su bajo costo y su potencial para contener más energía que el óxido metálico de litio y otros materiales utilizados en las versiones tradicionales basadas en iones. Para estabilizar las baterías de Li-S a altas temperaturas, los investigadores propusieron previamente utilizar un electrolito a base de carbonato para separar los dos electrodos (un cátodo de sulfuro de hierro y un ánodo que contiene metal litio). Sin embargo, a medida que el sulfuro del cátodo se disuelve en el electrolito, forma un precipitado impenetrable, lo que hace que la celda pierda capacidad rápidamente. Liping Wang y sus colegas se preguntaron si podrían agregar una capa entre el cátodo y el electrolito para reducir esta corrosión sin reducir el rendimiento y la capacidad de recarga.
El equipo recubrió cátodos de sulfuro de hierro con varios polímeros y las pruebas preliminares de rendimiento electroquímico mostraron que el ácido poliacrílico (PAA) funcionó mejor, conservando la capacidad de descarga del electrodo después de 300 ciclos de carga-descarga. A continuación, los investigadores incorporaron un cátodo de sulfuro de hierro recubierto de PAA en un prototipo de diseño de batería, que incluía un electrolito a base de carbonato, una lámina de metal de litio como fuente de iones y un ánodo a base de grafito. Produjeron y luego probaron prototipos de baterías de tipo bolsa y de tipo botón.
Después de más de 100 ciclos de carga y descarga, Wang y sus colegas no observaron ninguna pérdida significativa de capacidad en las celdas de la bolsa. Pruebas adicionales demostraron que la célula de la bolsa funcionaba incluso después de doblarla y cortarla por la mitad. La pila de botón retuvo el 72% de su capacidad después de 300 ciclos de carga y descarga. Posteriormente aplicaron revestimientos de polímeros a cátodos fabricados con otros metales, creando baterías de litio-molibdeno y litio-vanadio. Estas celdas también tenían una capacidad estable de 300 ciclos de carga-descarga. En general, los resultados indican que los cátodos recubiertos no sólo pueden producir baterías Li-S seguras con una larga vida útil, sino también baterías viables 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.