Materiales grafénicos funcionalizados con nitrógeno como cátodo de alto rendimiento para baterías Metal-Azufre

Abstract

A pesar de la existencia de varias tecnologías de almacenamiento de energía, la creciente demanda energética de las ciudades y la industria, la naturaleza intermitente de las fuentes renovables y el aumento de los vehículos eléctricos plantean la necesidad de investigar nuevos enfoques energéticos para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y satisfacer las necesidades actuales. Una alternativa atractiva es la batería de Litio-Azufre (Li-S), que ofrece ventajas como mayor densidad de energía específica, ligereza y sostenibilidad en comparación con las baterías de Litio-ion. Sin embargo, hay desafíos que dificultan su comercialización, como la baja conductividad del azufre, la pérdida de capacidad durante el ciclado de carga y descarga, y la vida útil limitada debido a la formación de dendritas en el ánodo y la disolución de polisulfuros de litio en el electrolito (efecto “shuttle”). Para superar estos efectos negativos, se ha demostrado que el uso de carbones como matriz para alojar azufre es una solución efectiva y viable, ya que facilita la transferencia de electrones en el cátodo y retiene a los polisulfuros formados. En este sentido, se propone emplear materiales grafénicos como matrices conductoras. Además, la funcionalización del grafeno permite retener los polisulfuros de litio, responsables del efecto shuttle, al tiempo que mejora la conductividad y el rendimiento de las celdas de Li-S. En este estudio, se sintetizaron materiales grafénicos a partir de óxido grafítico (GO) mediante el método de Hummers. Seguidamente, se llevó a cabo una reducción hidrotermal del GO para obtener óxido de grafeno reducido (rGO), que posteriormente se funcionalizó con nitrógeno utilizando diferentes dopantes, como etilendiamina (en-rGO) y amoníaco (NH3-rGO). Finalmente, se realizó un exhaustivo estudio electroquímico de ambos materiales, que incluyó medidas cronopotenciométricas en distintos modos de funcionamiento, espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y voltamperometría cíclica (CV), lo que permitió determinar las características específicas de los sistemas analizados.

Despite the existence of several energy storage technologies, the growing energy demand from cities and industries, the intermittent nature of renewable sources, and the increasing number of electric vehicles raise the need to investigate new energy approaches to reduce dependence on fossil fuels and meet current needs. An attractive alternative is the Lithium-Sulfur (Li-S) battery, which offers advantages such as higher specific energy density, light weight and sustainability compared to Lithium-Ion batteries. However, there are challenges that hinder its commercialization, such as low sulfur conductivity, loss of capacity during the charge and discharge cycles, and limited lifetime due to the formation of dendrites on the anode and the dissolution of lithium polysulfides in the electrolyte (shuttle effect). To overcome these negative effects, it has been demonstrated that the use of carbons as a matrix to host sulfur is an effective and viable solution, since it facilitates the transfer of electrons at the cathode and retains the formed polysulfides. In this sense, the use graphene-based materials as conductive matrices have been proposed. Moreover, the functionalization of graphene favors the retention of lithium polysulfides, responsible for the shuttle effect, while improving the conductivity and performance of Li-S cells. In this study, graphene-based materials were synthesized from graphitic oxide (GO) using the Hummers´ method. Then, hydrothermal reduction of GO was carried out to obtain reduced graphene oxide (rGO), which was subsequently functionalized with nitrogen using different dopants, such as ethylenediamine (en-rGO) and ammonia (NH3-rGO). Finally, a comprehensive electrochemical study of both materials was carried out, including chrono-potentiometric measurements in different operating modes, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and cyclic voltammetry (CV), allowing for the determination of specific characteristics of the analyzed systems.