Baterias recarregáveis de lítio-enxofre, onde os eletrodos são feitos de metal de lítio (Li) e enxofre (S) separados por um eletrólito líquido, poderíamos substituir as baterias de íon de lítio se pudéssemos entender como interromper as reações que diminuem o desempenho da bateria. Durante a operação da bateria, íons polissulfeto são formados no eletrodo de enxofre, mas eles podem se dissolver no eletrólito e, eventualmente, limitar o desempenho da bateria. Os cálculos mostram a formação extensiva de aglomerados (estrutura esquerda (Li2S4) n) ocorre para polissulfetos mais curtos, o que limita a solubilidade dos íons mais curtos em solvente puro. Ocorreu menos agrupamento quando um sal de lítio foi adicionado ao solvente para formar o eletrólito líquido (estrutura certa (Li 2 S4) n-x TFSI n ’ ), o que aumentou inesperadamente a solubilidade dos íons mais curtos no eletrólito. Esses instantâneos das estruturas fornecem informações sobre o projeto do eletrólito para habilitar baterias melhores.
No futuro, As baterias recarregáveis de lítio-enxofre (Li-S) podem conter mais energia e custar menos do que as baterias de íon-lítio se puderem durar mais. Um desafio importante é evitar que os íons polissulfeto que devem se formar no eletrodo de enxofre durante a descarga sejam transportados através do eletrólito líquido para o outro eletrodo. Aqui, pesquisadores descobriram como a solubilidade e o transporte de íons polissulfeto no eletrólito líquido se relacionam com o comprimento da cadeia do íon polissulfeto, a tendência do íon de se agrupar, e a quantidade de sal de lítio presente no eletrólito. É digno de nota que os polissulfetos de qualquer comprimento de cadeia ou estrutura dissolvidos no eletrólito líquido podem contribuir para o pior desempenho da bateria.
O aumento da vida útil das baterias recarregáveis de lítio-enxofre exige a prevenção do transporte de polissulfeto entre os eletrodos durante a operação. O conhecimento de como as moléculas de sal e solvente do eletrólito interagem com os polissulfetos ajuda a compreender sua solubilidade. As percepções de estudos sobre essas interações podem ajudar no projeto de novos eletrólitos para maior duração, baterias recarregáveis de lítio-enxofre práticas.
A bateria de lítio-enxofre tem uma densidade de energia teórica muito maior do que as baterias comerciais de íon-lítio; Contudo, a tecnologia apresenta desbotamento e, portanto, vida útil da bateria limitada. Nessas baterias, espécies ativas de enxofre (como íons polissulfeto dissolvidos) migram para o eletrodo de metal de lítio. Então, reações irreversíveis envolvendo esses polissulfetos podem ocorrer no eletrodo, resultando na perda de sua capacidade de armazenar carga. As tentativas de proteger o metal dos polissulfetos foram apenas parcialmente bem-sucedidas.
Cientistas do Joint Center for Energy Storage Research se concentraram em ajustar a composição do eletrólito para controlar como os polissulfetos se dissolvem, mover, e interagir. Recentemente, usando estudos teóricos e experimentais combinados, os cientistas descobriram que a solubilidade de polissulfetos (Li 2 S x , x =2-8) dependem do comprimento da cadeia do íon sulfeto. Polissulfetos mais curtos formam grandes aglomerados, com até quinze íons em cada cluster, o que limita sua solubilidade. Polissulfetos mais longos (com mais de quatro átomos de enxofre) mostram maior solubilidade, mas transporte lento no solvente puro. Surpreendentemente, a adição de um sal de lítio para formar uma solução eletrolítica aumentou a solubilidade dos polissulfetos de cadeia curta, proporcionando interações favoráveis entre o sal e os polissulfetos.
Os pesquisadores também calcularam e mediram experimentalmente as taxas de difusão para o íon de lítio e outras espécies nos eletrólitos em diferentes relações sal / solvente. Altas concentrações de sal podem controlar favoravelmente como os polissulfetos se dissolvem, mas resultou em mobilidade reduzida para espécies iônicas e condutividade iônica insuficiente. Compreender a estrutura e a dinâmica dos eletrólitos de lítio-enxofre fornece uma oportunidade para ajustar a composição do eletrólito. Com esses insights, futuros eletrólitos podem ser projetados para fornecer transporte eficiente de íons entre os eletrodos, enquanto suprime a dissolução e migração de espécies de polissulfeto.
