p Os sistemas de armazenamento de energia com alta densidade de energia são essenciais para atender às demandas cada vez maiores de dispositivos eletrônicos, Veículos elétricos, e redes inteligentes para energia solar ou eólica intermitente. A bateria de lítio-enxofre (Li-S) é uma candidata promissora para armazenamento de energia de próxima geração, com uma densidade de energia teórica extremamente alta, de cinco a sete vezes maior do que a dos LIBs convencionais. p Contudo, vários obstáculos dificultam as aplicações práticas das baterias Li – S. Um dos principais problemas é a difusão de intermediários de polissulfeto do cátodo, que causa a perda irreversível de materiais ativos e decadência da capacidade. O nanocarbono com uma superfície apolar como materiais do cátodo não pode fornecer efeitos de ligação e confinamento suficientes para manter os polissulfetos dentro do cátodo. Além disso, o contato eletroquímico pobre causado pela combinação fraca entre polissulfetos ativos e nanocarbono também impede o ciclo rápido e constante das células Li-S.

p "Acredita-se que a dopagem com heteroátomo seja uma rota promissora para a adsorção e imobilização de intermediários de polissulfeto, "diz o Prof. Qiang Zhang, um pesquisador da Universidade Tsinghua, China. "Contudo, a origem do efeito de ancoragem proporcionado pelos heteroátomos ainda não está clara, que limita amplamente a melhoria da adsorção de polissulfetos e o design racional de materiais catódicos. "

p Mais recentemente, O Prof. Q. Zhang e colegas de trabalho da Tsinghua University juntamente com o Prof. B. Li do Institute of Metal Research relataram um estudo teórico sobre a capacidade de uma série de materiais de nanocarbono dopados para capturar polissulfetos. Ele mostrou que, ao formar uma 'ligação de lítio' (um análogo de 'ligação H'), a modificação química usando dopante N ou O aumenta significativamente a interação entre o carbono hospedeiro e os hóspedes polissulfeto e, assim, evita efetivamente o transporte de polissulfetos.

p "Pela primeira vez, conduzimos um processo de triagem química quântica paralela para escolher os elementos de dopagem mais eficazes que ajudam a confinar os polissulfetos. "Tingzheng Hou, o primeiro autor diz. "Descobriu-se que o doping N e O em materiais de nanocarbono pode formar uma forte interação eletrostática dipolo-dipolo, que foi identificado pela primeira vez como a interação dominante entre nanocarbonetos dopados e polissulfetos de lítio, enquanto F, B, P, Os dopantes S e Cl eram incapazes de formar isso. "

p O trabalho experimental relatado por outros pesquisadores concordou com este resultado preditivo. Por exemplo, o eletrodo de papel grafeno dopado com N exibiu uma alta capacidade específica de aproximadamente 1000 mAh g ^-1 após 100 ciclos e excelente eficiência coulômbica de 98 por cento para células Li-S do tipo católito. Uma vida útil muito estendida de mais de 2.000 ciclos e uma taxa de redução de capacidade extremamente baixa de 0,028 por cento por ciclo podem ser alcançadas.

p "Para alcançar o efeito de casal forte em relação aos polissulfetos, propusemos um conjunto de regras para o projeto racional de andaimes de carbono dopado em baterias Li-S com base em nosso cálculo, "diz Hou, "Cumpridas essas condições, o carbono dopado pode oferecer um dipolo forte com escolha de par solitário para formar uma forte interação dipolo-dipolo eletrostática com polissulfetos e aumentar a interação. O fator chave é a eletronegatividade dos átomos de dopagem. "

p Para elucidar a importância da eletronegatividade, uma relação implícita no gráfico do vulcão correlacionando a eletronegatividade dos átomos de dopagem com as energias de adsorção foi proposta por Qiang e colaboradores para esclarecer a formação do forte efeito de ancoragem. Essa relação permite uma nova compreensão da triagem e do projeto racional de materiais nanocarbonados dopados para a imobilização de polissulfetos.

p "Se formos um pouco mais longe das regras e do enredo do vulcão para buscar um avanço além do limite máximo de monodopagem, existem nanomateriais de co-dopagem em que dois ou mais dopantes adjacentes um ao outro fortalecem sinergicamente o momento dipolar e oferecem uma afinidade ainda melhor para polissulfetos ", disse o Prof. Qiang. Em um futuro próximo, eles irão estudar mais o efeito de sinergia do co-doping e explorar a possibilidade de aumentar ainda mais as interações interfaciais na interface do cátodo.