Los investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han diseñado un nuevo material de cátodo orgánico para baterías de litio. Con azufre en su núcleo, el material es más denso en energía, rentable y ecológico que el tradicionalmateriales catódicos en baterías de litio. La investigación fue publicada en Materiales de energía avanzada el 10 de abril de 2019.
Optimización de materiales catódicos
Desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, las tecnologías que se han vuelto centrales para la vida cotidiana funcionan con baterías de litio. Y a medida que la demanda de estos productos continúa aumentando, los científicos están investigando cómo optimizar los materiales del cátodo para mejorar el rendimiento general de los sistemas de baterías de litio.
"Las baterías de iones de litio comercializadas se usan en pequeños dispositivos electrónicos; sin embargo, para acomodar largos rangos de conducción de vehículos eléctricos, su densidad de energía debe ser mayor", dijo Zulipiya Shadike, investigadora asociada en la División de Química de Brookhaven y autora principalde la investigación: "Estamos tratando de desarrollar nuevos sistemas de baterías con una alta densidad de energía y un rendimiento estable".
Además de resolver los desafíos energéticos de los sistemas de baterías, los investigadores de Brookhaven están buscando diseños de materiales de baterías más sostenibles. En busca de un material de cátodo sostenible que también pueda proporcionar una alta densidad de energía, los investigadores eligieron azufre, un material seguro y abundanteelemento.
"El azufre puede formar muchos enlaces, lo que significa que puede retener más litio y, por lo tanto, tener una mayor densidad de energía", dijo el coautor Adrian Hunt, científico de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II NSLS-II, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven. "El azufre también es más liviano que los elementos tradicionales en los materiales del cátodo, por lo que si fabrica una batería de azufre, la batería en sí misma sería más liviana y el automóvil en el que corre podría conducir más lejosmisma carga "
Al diseñar el nuevo material del cátodo, los investigadores eligieron un compuesto de organodisulfuro que solo está compuesto de elementos como carbono, hidrógeno, azufre y oxígeno, no los metales pesados que se encuentran en las baterías de litio típicas, que son menos amigables con el medio ambiente.Si bien las baterías de azufre pueden ser más seguras y más densas en energía, presentan otros desafíos.
"Cuando una batería se está cargando o descargando, el azufre puede formar un compuesto indeseable que se disuelve en el electrolito y se difunde por toda la batería, causando una reacción adversa", dijo Shadike. "Intentamos estabilizar el azufre diseñando un material de cátodo en el quelos átomos de azufre se unieron a una estructura orgánica ".
los rayos X revelan los detalles
Una vez que los científicos de la División de Química de Brookhaven diseñaron y sintetizaron el nuevo material, lo llevaron a NSLS-II para comprender mejor su mecanismo de descarga de carga. Utilizando los rayos X ultrabrillantes de NSLS-II en dos estaciones experimentales diferentes, la X-La línea de haz de difracción de polvo de rayos XPD y la línea de haz de espectroscopía de rayos X suave IOS in situ y Operando, los científicos pudieron determinar cómo los elementos específicos en el material del cátodo contribuyeron a su rendimiento.
"Puede ser difícil estudiar los materiales orgánicos de la batería utilizando fuentes de luz sincrotrón porque, en comparación con los metales pesados, los compuestos orgánicos son más ligeros y sus átomos están menos ordenados, por lo que producen datos débiles", dijo Sanjit Ghose, científico principal de XPD ycoautor del artículo: "Afortunadamente, en NSLS-II tenemos haces de rayos X de alto flujo y alta energía que nos permiten" ver "la abundancia y la actividad de cada elemento en un material, incluidos los más livianos, menoselementos orgánicos ordenados "
Ghose agregó: "Nuestros colegas en el departamento de química diseñaron y sintetizaron el material del cátodo según la estructura teóricamente predicha. Para nuestra sorpresa, nuestras observaciones experimentales coincidieron exactamente con la estructura teórica".
Iradwikanari Waluyo, científico principal de IOS y coautor del artículo, dijo: "Utilizamos rayos X suaves en IOS para sondear directamente el átomo de oxígeno en la columna vertebral y estudiar su estructura electrónica, antes y después de que la batería se cargaray descargado. Confirmamos que el grupo carbonilo, que tiene un doble enlace entre un átomo de carbono y un átomo de oxígeno, no solo juega un papel importante en la mejora de la capacidad de carga y descarga rápida de la batería, sino que también proporciona capacidad adicional ".
Los resultados de NSLS-II y experimentos adicionales en la fuente de luz canadiense permitieron a los científicos confirmar con éxito la capacidad de carga y descarga de la batería proporcionada por los átomos de azufre. Los investigadores dicen que este estudio proporciona una nueva estrategia para mejorar el rendimiento del azufre.cátodos basados en baterías de litio de alto rendimiento.
Este estudio fue respaldado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE. Las operaciones en NSLS-II están respaldadas por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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