A atual tecnologia de baterias de íons de lítio não possui a densidade de energia necessária para atender às demandas por energia renovável. Em teoria, as baterias de lítio-enxofre poderiam ser uma alternativa viável com maior capacidade específica e densidade de energia. Contudo, o enxofre tem desvantagens que atualmente limitam a sua adoção prática.



Uma revisão abrangente publicada na Nano Research descreve como os materiais catódicos baseados em estrutura metal-orgânica podem melhorar o desempenho das baterias de lítio-enxofre, tornando-as uma alternativa prática às baterias de íon-lítio.

"A aplicação de baterias de lítio-enxofre de alto desempenho ainda é dificultada por alguns problemas importantes, levando a uma capacidade prática inaceitável e à estabilidade do ciclo", disse Weihua Chen, pesquisador da Universidade de Zhengzhou.

"Primeiro, a baixa condutividade elétrica do enxofre e dos produtos de descarga aumenta significativamente alguma resistência interna das baterias, limitando a eficiência de utilização dos materiais ativos. Além disso, a expansão volumétrica severa dos cátodos de enxofre após o processo de litiação causa a pulverização estrutural dos eletrodos. "

Com estas limitações, as baterias de lítio-enxofre apresentam problemas de segurança, bem como problemas de desempenho, que atualmente impedem a sua ampla adoção.

Cátodos de enxofre avançados feitos de estruturas metal-orgânicas podem ser a solução. Estruturas metal-orgânicas são normalmente compostas de um íon/aglomerado metálico e possuem propriedades únicas, como alta porosidade, tamanho de poro ajustável e estrutura de poro controlável.

Estruturas metal-orgânicas originais ainda não foram adotadas em baterias de lítio-enxofre devido à baixa condutividade elétrica e estabilidade estrutural insuficiente; no entanto, estudos recentes mostraram como estruturas metal-orgânicas podem ser combinadas com materiais condutores, como grafeno, nanotubos de carbono e alguns polímeros.

"Por causa da microestrutura porosa, da área de superfície específica acessível ultragrande e do grupo de funções ajustáveis, os materiais baseados em estruturas metal-orgânicas receberam a atenção dos investigadores como potenciais hospedeiros de cátodos para baterias de lítio-enxofre e fizeram progressos significativos. Particularmente, materiais relacionados à estrutura metal-orgânica poderiam efetivamente restringir a dissolução e difusão do polissulfeto nos eletrólitos", disse Chen.

Esta revisão de artigos publicados analisou estruturas metal-orgânicas originais, diferentes compósitos de estruturas metal-orgânicas e derivados de estruturas metal-orgânicas. Esses componentes orgânicos e metálicos inorgânicos inalterados possuem estruturas cristalográficas e são promissores no armazenamento do enxofre ativo. No entanto, a maioria deles não possui a condutividade necessária para o funcionamento eficaz da bateria.

Os compósitos de estrutura metal-orgânica melhoram as propriedades das estruturas metal-orgânicas, melhorando a condutividade e reforçando a estabilidade estrutural. Grafeno, nanotubos de carbono e polímeros condutores são opções viáveis ​​para melhorar as limitações das estruturas metal-orgânicas primitivas. Outra alternativa são os materiais derivados de estruturas metal-orgânicas ou derivados de estruturas metal-orgânicas.

Por exemplo, materiais de carbono derivados da estrutura metal-orgânica podem facilitar as transferências de elétrons e íons e resolver os problemas de expansão de volume encontrados nos cátodos de enxofre, mas podem comprometer a estrutura da estrutura metal-orgânica. Estão em andamento pesquisas sobre como esses diferentes materiais poderiam ser melhorados e melhor utilizados em baterias de lítio-enxofre.

Olhando para o futuro, os pesquisadores continuam a explorar como os materiais baseados em estruturas metal-orgânicas e suas características exclusivas podem melhorar o desempenho das baterias de lítio-enxofre.

"Materiais relacionados à estrutura metal-orgânica estão emergindo como materiais promissores de cátodo de enxofre para baterias de lítio-enxofre. Apesar do progresso significativo nos últimos anos, ainda existem desafios a serem superados para a comercialização de baterias de lítio-enxofre. Levará tempo e esforço para alcançar a aplicação prática de materiais relacionados à estrutura metal-orgânica em baterias de lítio-enxofre, mas esta revisão pode oferecer orientação útil para o desenvolvimento futuro desses materiais", disse Chen.

Mais informações: Zhengkun Xie et al, Materiais catódicos baseados em estruturas metálicas orgânicas para baterias avançadas de Li-S:uma revisão abrangente, Nano Research (2024). DOI:10.1007/s12274-024-6481-0
Informações do diário: Nanopesquisa

Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua