Hibridizando sp ² nanocarbono e carbono poroso nanoestruturado, pesquisadores criaram uma bateria de lítio-enxofre de alta energia e alta potência na Universidade de Tsinghua, aparecendo no Volume 24, Edição 19 de Material Funcional Avançado publicado em 21 de maio, 2014.

"Motivado pelo rápido desenvolvimento de eletrônicos portáteis, Veículos elétricos, e colheita de energia renovável, dispositivos avançados de armazenamento de energia, como baterias de lítio, são muito procurados, "disse o Dr. Qiang Zhang, um professor associado do Departamento de Engenharia Química, Universidade de Tsinghua. "Uma vez que a bateria de íon de lítio tradicional atingiu sua limitação teórica de densidade de energia, nosso grupo explorou o tremendo potencial das baterias de lítio-enxofre, um novo sistema de armazenamento de energia eletroquímica, e realizou ampla pesquisa por cerca de dois anos. "

Baterias de lítio-enxofre, empregando enxofre como cátodo e lítio metálico como ânodo, teoricamente oferece densidade de energia de 2600 Wh kg ^-1 , três a seis vezes mais do que as baterias de íon de lítio tradicionais quando o enxofre e o lítio reagem totalmente. Adicionalmente, o enxofre do cátodo é naturalmente abundante, baixo custo, e ecologicamente correto. Contudo, ainda existem vários desafios a enfrentar antes que as baterias de lítio-enxofre tenham uma aplicação prática.

"Por um lado, o enxofre é altamente isolante elétrico e iônico. Sua condutividade é várias a dez ordens de magnitude menor do que o LiCoO típico ₂ ou LiFePO ₄ material catódico encontrado em baterias de íon-lítio, exigindo 25 a 40 por cento a mais de peso em agentes condutores dentro de todo o cátodo, impedindo assim a demonstração completa da densidade intrínseca de alta energia, "Qiang disse ao Phys.org,

"Por outro lado, devido ao caminho de reação de várias etapas e várias fases, o intermediário altamente solúvel, sempre na forma de ânions polissulfeto em cadeia, gera no lado do cátodo, se difunde através da membrana, reage com o ânodo de lítio, e ônibus de volta. Durante todo o processo, os polissulfetos se dissolvem e reagem irreversivelmente com o lítio e os componentes orgânicos, causando a destruição da estrutura do cátodo, esgotamento do ânodo de lítio, e perda de materiais ativos. Assim, o ciclo de vida é muito pobre. "

Na realidade, semelhante ao material de ânodo avançado, como silício e estanho, há uma grande mudança de volume (cerca de 60-70 por cento) quando o enxofre é totalmente litiado em sulfeto de lítio mais leve, resultando na falha do andaime condutor e também na vida útil pobre. Para resolver esses problemas multifacetados, pesquisadores precisam desenvolver material multifuncional com alta condutividade elétrica, uma via de íons interconectada, e espaço suficiente para acomodar o enxofre e retardar a difusão dos polissulfetos.

"O material de carbono desempenha um papel vital em sistemas avançados de armazenamento de energia, como baterias de lítio-enxofre, devido à sua excelente condutividade, flexibilidade mecânica, e morfologia personalizada e química de superfície ", disse o Prof. Fei Wei." Nosso grupo tem investigado o material de nanocarbono por um longo tempo e desenvolvido uma série de metodologias para a produção em massa de nanotubos de carbono (CNTs) e grafeno, bem como a sua aplicação para armazenamento de energia. O sp ² nanocarbono possui condutividade eletrônica extraordinária com área de superfície específica limitada e espaço confinado. O carvão poroso nanoestruturado, como o carvão ativado e o carvão mesoporoso, tem alta área de superfície específica e porosidade, mas baixa condutividade devido à natureza defeituosa. Uma vez que os dois não podem atender ao requisito de baterias de lítio-enxofre, a hibridação, ou o 'casamento' de dois materiais resultará em uma nova nanoarquitetura de carbono, herdando as vantagens e exibindo funcionalidade superior. "

Com base neste conceito, Hong-Jie Peng, um estudante de graduação e o primeiro autor, desenvolveu uma estratégia de deposição de vapor químico in-situ seguida por pirólise de hidrocarbonetos e ativação química. Uma nanoarquitetura de CNT / grafeno / carbono poroso com condutividade elétrica extraordinária e micro- / mesoporos hierárquicos foi fabricada para um cátodo composto de carbono / enxofre avançado. O casamento racional dos dois materiais de carbono percebeu o potencial do material de carbono como via elétron / íon e reservatório de massa ativa. O lítio-enxofre resultante exibiu vida útil prolongada e capacidade de energia superior.

"Esperamos que os materiais avançados de carbono possam ajudar as baterias de lítio-enxofre a serem comparáveis ​​ao sistema acionado por motor para o transporte elétrico futuro." disse Hong-Jie. Um estudo mais aprofundado se concentrará no aumento da carga de enxofre da área e do conteúdo real, bem como a inovação da membrana, ânodo, eletrólito, e toda a configuração da célula. Adicionalmente, o material de carbono hibridizado tem aplicações incríveis em supercapacitores, baterias de íon de sódio, e baterias de metal-ar, e outras tecnologias.