Diseño computacional de nuevos materiales como potencial aplicación en cátodos de baterías de Li-S

NAVARRO DI MARI, LUCÍA; MOREL LUCIANA; FLAVIA LOBO MAZA; LÓPEZ MARÍA BEATRIZ; MARTIN ZOLOFF

Río Cuarto

Encuentro; XXI Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados; 2022

Universidad Nacional de Río Cuarto

Las baterías de litio-azufre (LSB por sus siglas en inglés Lithium-Sulfur Batteries) son uno de los sistemas de almacenamiento de energía de próxima generación más prometedores debido a su alta capacidad específica teórica (1675mAh/g), mayor seguridad, su densidad de energía (2500-2800 Wh/L) y su bajo costo de fabricación [1-3]. En las LSB, el azufre naturalmente abundante y no tóxico, se adapta como material activo en el cátodo. [1]Estos dispositivos están constituidos por un ánodo de Li metálico, un electrolito orgánico, un separador y el cátodo de azufre. En general, este último electrodo está compuesto por partículas de azufre, aditivos de carbono como agente conductor y un polímero aglutinante. [4] El funcionamiento de la batería Li-S se produce mediante un mecanismo electroquímico en donde: S8 →Li2Sx (4 ≤ x ≤ 8) →Li2S2/ Li2S.Este proceso es de carácter sólido-líquido-sólido e inicia a partir del S8, el cual presenta una estructura octaédrica reaccionando con el Li y formando polisulfuros de litio de cadena larga Li2Sx (4 ≤ x ≤ 8), que se disuelven en electrolitos líquidos, y finalmente se producen en la descarga los sólidos Li2S2/Li2S.Entre los principales inconvenientes en el empleo de estos dispositivos surge la formación de polisulfuros solubles (PSs) en el electrolito conocido como efecto “shuttle”, ya que reduce el rendimiento electroquímico y la estabilidad cíclica de las LSBs.Debido a la fuerte interacción entre las especies de polisulfuros de litio (PSs) y los óxidos de metales de transición, éstos se emplean para “atraparlos” y evitar que se disuelvan en el electrolito. Sin embargo, poco se ha estudiado de la interacción de este tipo de especies con el Li2S para implementarlo como material activo del cátodo. Por lo tanto, se proponen analizar específicamente la interacción de PSs (Li2S, Li2S2 y Li2S4) con Óxido de Circonio (ZrO2), analizando también el efecto del solvente (DMF).El presente estudio teórico se basó en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) empleando el paquete computacional Gaussian 09. A partir de nuestros resultados podemos concluir principalmente que la interacción se produce mediante los átomos de Li y O, además, por la polaridad del ZrO2, se observó una fuerte afinidad con las moléculas de PSs. Asimismo, la molécula Li2S tiene una adsorción más fuerte que el resto de los PSs estudiados. Por otro lado, el efecto del solvente estabiliza las cargas del sistema de manera que se atenúa la adsorción de los sulfuros en el ZrO2, tal como se reportó en otros sistemas.[5]REFERENCIAS 1.Li, Shulian, et al. Advanced Energy Materials, vol. 11 (2020) p. 24. 2.Li, Zhehao. (AIEA) (2020), p. 727.3.Shateri, Neda, et al. IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, vol. 70 (2021) pp. 212-224.4.S. Li et al., Advanced Energy Materials 11 (2021), 2000779.5.Kim, Hee Min, et al. ACS Energy Letters, vol. 5 (2020) pp. 3168–3175.