Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Brookhaven, del Departamento de Energía de EE.UU, ha diseñado un nuevo material orgánico compuesto de organodisulfuro que puede utilizarse en el cátodo de las baterías de litio-azufre. Gracias a este material las baterías resultantes obtienen mayor densidad de energía y son más económicas y más respetuosas con el medio ambiente que las baterías que utilizan materiales tradicionales en sus cátodos.
El material elegido para formar parte del cátodo, llamado TPQD, es un compuesto similar al que se puede encontrar en la queratina, presente en las uñas, el pelo, los cuernos y otros tejidos duros de los seres vivos. Su cadena macromolecular tiene una estructura primaria que se pliega sobre si misma adquiriendo tres dimensiones.
El TPQD puede lograr alta capacidades de reversibilidad y rendimiento cíclico estable en un rango de velocidades de descarga que van desde C/10 a 5C. El TPQD puede retener una capacidad de 120 mAh/g tras 200 ciclos de carga y descarga a una velocidad de 5C, muy elevada. Con este material formando parte del cátodo la tasa de descarga puede alcanzar una velocidad de hasta cinco veces su capacidad, lo que aumenta la potencia con la que es capaz de mover un motor eléctrico.
Para comprender mejor su mecanismo de cabaterías de litio-azufrerga y descarga, el nuevo material diseñado y sintetizado por los científicos de la División de Química de Brookhaven fue sometido a dos pruebas diferentes en el NSLS-II (The National Synchrotron Light Source II), uno de los aceleradores de partículas tipo sincrotrón más avanzados del mundo, que se utiliza para explorar la estructura electrónica de la materia desde el nivel nanométrico y que se encuentra en el propio Laboratorio Nacional de Brookhaven.
The National Synchrotron Light Source II.
Usando los rayos X ultrabrillantes del NSLS-II en dos estaciones experimentales diferentes, la línea de haz de Difracción de rayos X (XPD) y la línea de haz de espectroscopia de rayos X, los científicos pudieron determinar cómo contribuyen al rendimiento de la batería cada uno de los elementos químicos que forman parte del cátodo.
Los resultados obtenidos en el NSLS-II y los experimentos adicionales en el Canadian Light Source (CLS), la instalación de fuente de luz de sincrotrón de Canadá, ubicada en los terrenos de la Universidad de Saskatchewan, permitieron a los científicos confirmar con éxito la capacidad de carga y descarga de la batería con cátodos formados por átomos de azufre.
El estudio ha sido apoyado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE (Departamento de Energía de EE.UU), mientras que las operaciones realizadas en NSLS-II han sido respaldadas por la Oficina de Ciencia. La investigación ha sido publicada en la revista Advanced Energy Materials. Según los investigadores, este estudio proporcionará una nueva estrategia para mejorar el rendimiento de los cátodos a base de azufre para baterías de litio de alto rendimiento.
