El equipo de investigación creó una interfaz de estructura orgánica covalente (COF, por sus siglas en inglés) combinada con grafeno que previene el movimiento de polisulfuros de litio dentro de la batería, según el estudio. Esta migración no deseada, conocida como efecto de transporte de polisulfuros, ha reducido históricamente la vida útil y eficiencia de las baterías de litio-azufre.

Las baterías de litio-azufre se consideran una alternativa prometedora a la tecnología actual de iones de litio porque el azufre es abundante, económico y capaz de almacenar mucha más energía, según los investigadores. Sin embargo, los polisulfuros de litio disueltos que se forman durante la carga y descarga pueden migrar entre los electrodos de la batería, desencadenando reacciones secundarias y causando una rápida pérdida de capacidad.

En lugar de depender de una barrera física, los investigadores diseñaron una capa intermedia que captura químicamente los polisulfuros mientras también les ayuda a continuar participando en las reacciones electroquímicas de la batería, según el estudio.

El nuevo material, llamado TUS-44, es una estructura orgánica covalente de tetratiafuvaleno-éter corona combinada con grafeno conductor, según los investigadores. Juntos, forman una capa funcional ligera que atrapa los polisulfuros de litio y acelera el transporte de electrones.

La estructura orgánica covalente contiene nitrógeno de imina, oxígeno de éter corona y sitios de tetratiafuvaleno ricos en azufre que interactúan con los polisulfuros de litio, según el estudio. El grafeno proporciona una vía conductora que mejora la transferencia de carga y apoya la conversión de azufre durante la operación de la batería.

En pruebas de laboratorio, las celdas de litio-azufre equipadas con la capa intermedia TUS-44@G entregaron una capacidad reversible de 1.455,7 mAh g⁻¹ a 0,2 A g⁻¹ y mantuvieron 773 mAh g⁻¹ incluso a una alta densidad de corriente de 10 A g⁻¹, según los resultados publicados. Las baterías también registraron una degradación de capacidad de solo 0,034% por ciclo durante 1.000 ciclos a 5 A g⁻¹.

Los investigadores también construyeron una celda de batería de litio-azufre tipo bolsa usando la misma capa intermedia, según el estudio. Esta logró una densidad energética inicial de aproximadamente 674 Wh kg⁻¹, destacando el potencial del material para aplicaciones prácticas de baterías de alta energía.

"Nuestro objetivo era diseñar una capa intermedia que no simplemente bloquee los polisulfuros, sino que gestione activamente su vía de reacción", explicó Saikat Das, profesor asociado junior del Instituto de Investigación Multidisciplinaria para Materiales Avanzados de la Universidad de Tohoku, según declaraciones recogidas en el estudio. "Al integrar la química del éter corona y el tetratiafuvaleno en una estructura orgánica covalente ordenada y acoplarla con grafeno, creamos una interfaz cooperativa que puede anclar, redistribuir y convertir especies de azufre de manera más eficiente".

A diferencia de los materiales de carbono poroso convencionales que interactúan débilmente con los polisulfuros, las estructuras orgánicas covalentes pueden diseñarse con estructuras de poros precisas y funcionalidades químicas específicas, según los investigadores. Esto les permite capturar polisulfuros de litio mientras promueven el transporte de electrones y la conversión de azufre al mismo tiempo.

Los investigadores sintetizaron TUS-44 usando química de base de Schiff para crear una estructura bidimensional porosa con microporos uniformes y una alta área superficial, según el estudio. Cuando se recubrió sobre un separador de polipropileno con grafeno, el material formó una capa interfacial delgada que absorbió fácilmente el electrolito mientras suprimía la migración de polisulfuros.

"Este estudio muestra que la química reticular puede usarse para programar interfaces de batería a nivel molecular", dijo el profesor Yuichi Negishi de la Universidad de Tohoku, según el estudio. "El diseño TUS-44@G ofrece una ruta hacia baterías de litio-azufre ligeras, duraderas y de alta velocidad al unificar la inmovilización de polisulfuros con la conversión catalítica de azufre".

Las baterías de litio-azufre representan una tecnología potencialmente transformadora para el almacenamiento de energía debido a su capacidad teórica de almacenar hasta cinco veces más energía que las baterías de iones de litio convencionales. El azufre, además de ser abundante en la corteza terrestre, es un subproducto de la refinación de petróleo, lo que lo hace económicamente atractivo para la producción a gran escala.

El desarrollo de esta nueva capa intermedia podría acelerar la comercialización de baterías de litio-azufre para aplicaciones que requieren alta densidad energética, como vehículos eléctricos, drones y dispositivos electrónicos portátiles. La capacidad de mantener el rendimiento durante más de 1.000 ciclos acerca estas baterías a los estándares de durabilidad requeridos para aplicaciones comerciales, donde las baterías de iones de litio actuales típicamente ofrecen entre 500 y 1.000 ciclos de vida útil.

El estudio fue publicado en la revista científica Small, una publicación especializada en nanotecnología y materiales avanzados. La investigación fue realizada por un equipo colaborativo liderado por la Universidad de Tohoku en Japón, una institución reconocida por su investigación en ciencia de materiales y tecnología de baterías.