Revelación de estructuras clave para la reducción-oxidación reversible del azufre en azufre polimérico amorfo

Área de la Ciencia:

• Ciencia de Materiales
• Electroquímica
• Almacenamiento de Energía

Sus antecedentes:

• Los cátodos de azufre polimérico amorfo como el poliacrilonitrilo sulfurizado (SPAN) ofrecen baterías de litio-azufre de alta energía que utilizan azufre abundante.
• La limitada comprensión in situ de la síntesis y electroquímica de SPAN dificulta la optimización.

Objetivo del estudio:

• Elucidar la formación en tiempo real y los mecanismos de ciclaje electroquímico de SPAN.
• Guiar la ingeniería basada en mecanismos para mejorar el rendimiento de las baterías de litio-azufre.

Principales métodos:

• Técnicas de dispersión total de rayos X de alta energía operando.
• Espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) en la arista de azufre.

Principales resultados:

• La formación de enlaces S-C en SPAN previene la fusión del poliacrilonitrilo, promoviendo el apilamiento π-π y el azufre de cadena corta vital para la reducción-oxidación.
• El SPAN optimizado demuestra una alta retención de capacidad (>1000 ciclos) al minimizar la disolución de polisulfuros y la resistencia a la transferencia de carga.
• La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) en la arista de azufre identificó protones residuales que impulsan la tautomería tiol-tiona, lo que contribuye a la pérdida inicial de capacidad irreversible.

Conclusiones:

• La ingeniería guiada por mecanismos, centrándose en minimizar los grupos -NH y expandir las redes de piridina, es crucial para la optimización de SPAN.
• Estos avances allanan el camino para baterías de litio-azufre con densidades de energía competitivas con la tecnología de iones de litio.