As baterias de lítio-enxofre são candidatas promissoras para substituir as baterias de íon-lítio comuns em veículos elétricos, uma vez que são mais baratas, pesar menos, e pode armazenar quase o dobro da energia para a mesma massa. Contudo, baterias de lítio-enxofre tornam-se instáveis ​​com o tempo, e seus eletrodos se deterioram, limitando a adoção generalizada.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) relatou que um novo componente de bateria de lítio-enxofre permite dobrar a capacidade em comparação com uma bateria convencional de lítio-enxofre, mesmo depois de mais de 100 ciclos de carga em altas densidades de corrente, que são as principais métricas de desempenho para sua adoção em veículos elétricos (VEs) e na aviação.

Eles fizeram isso projetando um novo aglutinante de polímero que regula ativamente os principais processos de transporte de íons dentro de uma bateria de lítio-enxofre, e também mostraram como ele funciona a nível molecular. O trabalho foi relatado recentemente em Nature Communications .

“O novo polímero funciona como uma parede, "disse Brett Helms, um cientista da equipe da Fundição Molecular do Berkeley Lab e autor correspondente do estudo. "O enxofre é carregado nos poros de um hospedeiro de carbono, que são então selados pelo nosso polímero. Como o enxofre participa das reações químicas da bateria, o polímero impede que os compostos de enxofre carregados negativamente se dispersem. A bateria é uma grande promessa para habilitar a próxima geração de EVs. "

Quando uma bateria de lítio-enxofre armazena e libera energia, a reação química produz moléculas móveis de enxofre que se desconectam do eletrodo, fazendo com que ela se degrade e, por fim, diminuindo a capacidade da bateria com o tempo. Para tornar essas baterias mais estáveis, pesquisadores têm trabalhado tradicionalmente para desenvolver revestimentos de proteção para seus eletrodos, e desenvolver novos aglutinantes de polímero que agem como a cola que mantém os componentes da bateria juntos. Esses aglutinantes destinam-se a controlar ou mitigar o inchaço e rachaduras do eletrodo.

O novo fichário vai um passo além. Pesquisadores da Unidade de Síntese Orgânica da Fundição Molecular do Berkeley Lab, um centro de pesquisa especializado em ciência em nanoescala, projetou um polímero para manter o enxofre próximo ao eletrodo, ligando seletivamente as moléculas de enxofre, neutralizando suas tendências migratórias.

A próxima etapa foi entender as mudanças estruturais dinâmicas que podem ocorrer durante a carga e descarga, bem como em diferentes estados de carga. David Prendergast, que dirige o Centro de Teoria da Fundição, e Tod Pascal, um cientista de projeto no Centro de Teoria, construiu uma simulação para testar as hipóteses dos pesquisadores sobre o comportamento do polímero.

"Agora podemos modelar de forma confiável e eficiente a química do enxofre dentro desses ligantes com base no aprendizado de simulações mecânicas quânticas detalhadas dos produtos contendo enxofre dissolvidos, "afirmou Prendergast.

Suas simulações de dinâmica molecular em grande escala, conduzido em recursos de supercomputação no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab, confirmaram que o polímero tem afinidade para ligar as moléculas de enxofre móveis, e também previu que o polímero provavelmente mostraria uma preferência por ligar diferentes espécies de enxofre em diferentes estados de carga para a bateria. Os experimentos conduzidos no Laboratório de Berkeley Advanced Light Source e no Laboratório Nacional de Argonne Electrochemistry Discovery Lab confirmaram essas previsões.

A equipe de pesquisa levou seu estudo um passo adiante, examinando também o desempenho das células de lítio-enxofre feitas com o novo aglutinante de polímero. Por meio de um conjunto de experimentos, eles foram capazes de analisar e quantificar como o polímero afeta a taxa de reação química no cátodo de enxofre, que é a chave para alcançar alta densidade de corrente e alta potência com essas células.

Quase dobrando a capacidade elétrica da bateria em ciclos de longo prazo, o novo polímero eleva o nível de capacidade e potência das baterias de lítio-enxofre.

A compreensão combinada da síntese, teoria, e as características do novo polímero o tornaram um componente-chave no protótipo da célula de lítio-enxofre no Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) do DOE.