Un equipo de investigación del instituto tecnológico coreano KAIST, ha desarrollado una nueva batería de litio-azufre (LSB), ultraestable y de alta velocidad, que mantiene prácticamente íntegra su capacidad tras 1.000 ciclos de carga y descarga. Para alcanzar esta propiedad los investigadores han empleado un material poroso como el nitruro de titanio (h-TiN), capaz de fijar el alojamiento del azufre y facilitando la penetración de electrolitos.
Las baterías de litio-azufre son una posible alternativa a las actuales de iones de litio gracias a su alta densidad energética, que puede alcanzar hasta los 2.600 Wh/kg. El azufre, muy abundante en la naturaleza y ambientalmente inocuo, tiene una capacidad eléctrica teórica de 1.672 mAh/g. Sin embargo, el uso práctico de las baterías de litio-azufre se ve obstaculizado por la mala conductividad del azufre, su disolución de los polisulfuros de litio y una lenta cinética rédox para la transferencia de electrones entre los electrodos.
Ilustraciones esquemáticas del h-TiN y su aplicación como material huésped para el azufre.
Hasta ahora, la estrategia para evitar estos problemas ha sido la encapsulación de azufre en materiales porosos cuya arquitectura es clave para lograr un buen rendimiento de las baterías LSB. Para abordar estos problemas, el profesor Jinwoo Lee del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de KAIST y su equipo, sintetizaron un nitruro de titanio (h-TiN) mesoporoso —con poros de diámetro entre 2 y 50 nm—desarrollado como material para hospedar el azufre.
La investigación, publicada en la revista Advanced Materials, muestra que, utilizando h-TiN, la pérdida de capacidad por ciclo de carga-descarga es de tan solo 0,016%, manteniendo una capacidad eléctrica de 557 mAh/g, incluso después de 1.000 ciclos a una tasa de 5C.
El nitruro de titanio tiene una gran afinidad química por el azufre y una alta conductividad eléctrica. Como resultado, evita la disolución de materiales activos y facilita la transferencia de carga. Además, el efecto sinérgico de las estructuras de macroporos y mesoporos permite el alojamiento estable de grandes cantidades de azufre y facilita la penetración de electrolitos.
Imágenes de microscopio electrónico del h-TiN.
En investigaciones anteriores los materiales inorgánicos utilizados, con una alta afinidad por el azufre, no permitían establecer una estructura porosa adecuada para el azufre. Esa investigación ha logrado desarrollar un material inorgánico cuya arquitectura porosa es fácil de controlar, lo que llevó a lograr una mayor estabilidad en cada ciclo de carga y descarga y obtener un rendimiento sobresaliente. Con la introducción de la arquitectura porosa en el material huésped del azufre, se abre un camino prometedor para el desarrollo de las baterías LSB de alto rendimiento. El siguiente paso será avanzar la investigación para crear un procedimiento para procesar el material y fabricarlo a escala y a un precio razonable.
