Desafios e Perspectivas das Baterias de Lítio–Enxofre

O armazenamento de energia elétrica é uma das necessidades mais críticas da sociedade do século XXI. Aplicações que dependem do armazenamento de energia elétrica incluem eletrônicos portáteis, veículos elétricos e dispositivos para armazenamento de energia renovável a partir do sol e do vento. As baterias de íon de lítio (Li-ion) têm a maior densidade de energia entre as químicas de baterias recarregáveis. Como resultado, as baterias de Li-ion têm se mostrado bem-sucedidas no mercado de eletrônicos portáteis e desempenharão um papel significativo no armazenamento de energia em larga escala. Nas últimas duas décadas, as baterias de Li-ion baseadas em cátodos de inserção alcançaram uma capacidade de cátodo de ∼250 mA h g(-1) e uma densidade de energia de ∼800 W h kg(-1), que não atende ao requisito de ∼500 km entre recargas para veículos totalmente elétricos. Com o objetivo de aumentar a densidade de energia, os pesquisadores estão buscando materiais alternativos para cátodos, como enxofre e O2, que podem oferecer capacidades que superam aquelas dos cátodos de inserção convencionais, como LiCoO2 e LiMn2O4, em uma ordem de magnitude (>1500 mA h g(-1)). O enxofre, um dos elementos mais abundantes na terra, é um material eletroquimicamente ativo que pode aceitar até dois elétrons por átomo a ∼2,1 V vs Li/Li(+). Como resultado, os materiais de cátodo de enxofre têm uma capacidade teórica alta de 1675 mA h g(-1) e as baterias de lítio-enxofre (Li-S) têm uma densidade de energia teórica de ∼2600 W h kg(-1). Ao contrário dos materiais de cátodo de inserção convencionais, o enxofre passa por uma série de mudanças composicionais e estruturais durante o ciclo, que envolvem polissulfetos solúveis e sulfetos insolúveis. Como resultado, os pesquisadores enfrentaram dificuldades na manutenção de uma estrutura eletrodo estável, na plena utilização do material ativo e em ciclos de vida suficientes com boa eficiência do sistema. Embora os pesquisadores tenham feito progressos significativos em baterias de Li-S recarregáveis na última década, esses problemas de ciclo de vida e eficiência impedem seu uso em células comerciais. Para superar esses problemas persistentes, os pesquisadores precisarão de novos cátodos compósitos de enxofre com propriedades e desempenho favoráveis e novas configurações de células de Li-S. Neste relato, primeiro focamos no desenvolvimento de novos materiais compósitos de cátodo, incluindo compósitos de enxofre-carbono e enxofre-polímero, descrevendo os princípios de design, estrutura e propriedades, e desempenhos eletroquímicos desses novos materiais. Em seguida, abordamos novas configurações de células com camadas intermédias de carbono e células de Li/polissulfeto dissolvido, enfatizando o potencial dessas abordagens para avançar na retenção de capacidade e na eficiência do sistema. Finalmente, fornecemos uma breve pesquisa sobre eletrólitos eficientes. O relato resume melhorias que podem aproximar a tecnologia Li-S da comercialização em massa.