Publicación científica en revista "Journal of Power Sources"

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En un trabajo conjunto con el Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química, Instituto Químico de la Energía y el Medioambiente (IQUEMA), Universidad Nacional  de Córdoba, las doctoras Gabriela Ortega Moreno, María Celeste Bernini y Lucía Barbosa del INTEQUI (Instituto de Investigaciones en Tecnología Química) publican un artículo científico en la Revista "Journal of Power Sources" a través de la editorial Elsevier. El título de la publicación es "MIL-100(Fe) MOF como material catódico huésped de azufre para baterías Metal-Azufre de ultra alta ciclabilidad". ("MIL-100(Fe) MOF as an emerging sulfur-host cathode for ultra long-cycle Metal-Sulfur batteries").

Ficha técnica

Revista: Journal of Power Sources
Editorial: Elsevier
Fecha publicación:  2 de mayo de 2024
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234613

Autoría:
Álvaro Bonilla (a), Gabriela A. Ortega-Moreno (b), María C. Bernini,(b), Juan Luis Gómez-Cámer (a), Lucía Isabel Barbosa (b), Álvaro Caballero (a)

(a) Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química, Instituto Químico de la Energía y el Medioambiente (IQUEMA), Universidad Nacional  de Córdoba. Correo: iq1mopaj@uco.es

(b)Instituto de Investigaciones en Tecnología Química (CONICET), Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia (UNSL), Almirante Brown 1455, San Luis.

Título del trabajo:
MIL-100(Fe) MOF as an emerging sulfur-host cathode for ultra long-cycle Metal-Sulfur batteries

Resumen de divulgación

Las baterías de metal-azufre (Li/Na-S) son prometedoras porque pueden almacenar mucha energía, ¡hasta 1675 mA h/g! Pero tienen un problema: la energía se va rápidamente debido a un proceso llamado disolución del polisulfuro metálico.

El presente estudio ha encontrado una solución a este inconveniente. Para ello, se usó una red metal-orgánica llamada MIL-100(Fe) que actúa como un escudo protector para los cátodos de azufre en las baterías Metal-S. Esta red atrapa los polisulfuros dentro de ella, manteniendo la energía de la batería por más tiempo.

Los resultados son muy buenos: después de 3000 ciclos, solo se pierde muy poca energía para baterías Li-S, ¡0,044 mAh! Y cuando se probó esto en otro tipo de baterías (Na-S), ¡la pérdida de energía fue aún menor, menos del 0,08% en 2000 ciclos!

¿El secreto? La estructura especial de MIL-100(Fe) y la presencia de ciertos elementos que ayudan a mantener la energía dentro de la batería. ¡Así que podemos esperar baterías más duraderas y eficientes gracias a este avance!

Esquema 1. Esquema para la preparación de baterías de metal-azufre utilizando MIL-100 (Fe) como material catódico.

Resumen científico (español)

La tecnología de baterías de metal-azufre (Li/Na-S) se considera uno de los sistemas de almacenamiento de energía más prometedores por su elevada capacidad específica de 1675 mA h/g, atribuida al azufre. Sin embargo, presenta el desafío crucial de la rápida degradación de la capacidad, causada principalmente por la disolución del polisulfuro metálico, antes de su aplicación práctica.

Este trabajo demuestra por primera vez que una red metal-orgánica basada en Fe (MIL-100(Fe)) puede estabilizar notablemente el comportamiento electroquímico de los cátodos de azufre en baterías Metal-S durante ciclos prolongados. Las propiedades químicas y morfológicas del MIL-100(Fe), combinadas con sus características texturales, pueden ayudar a inmovilizar los polisulfuros de litio/sodio dentro de la estructura altamente microporosa del cátodo.

La pérdida de capacidad por ciclo fue de 0,044 mAh después de 3000 ciclos a 2C en celdas Li-S. Este comportamiento se corroboró al estudiar el cátodo basado en MOF en baterías RT Na-S, logrando estabilizar la capacidad con una pérdida inferior al 0,08 % durante 2000 ciclos a 0,1 C. Este excelente rendimiento puede atribuirse a los efectos sinérgicos de la estructura altamente microporosa del MOF-100(Fe), que proporciona una matriz ideal para confinar polisulfuros, y a la presencia de centros activos de Fe(III) coordinativamente insaturados que poseen acidez de Lewis y que por lo tanto, proporcionan afinidades químicas al azufre y a los polisulfuros. Estos factores contribuyen al excelente rendimiento cíclico del compuesto S@MIL-100(Fe) en las baterías metal-azufre.

Resumen científico (inglés)

Metal–Sulfur (Li/Na–S) battery technology is considered one of the most promising energy storage systems because of its high specific capacity of 1675 mA h/g, attributed to sulfur. However, the rapid capacity degradation, mainly caused by metallic polysulfide dissolution, remains a significant challenge prior to practical applications.

This work demonstrates for the first time that a Fe-based metal organic framework (MIL-100(Fe)) can remarkably stabilize the electrochemical behavior of sulfur-cathodes in Metal-S cells during prolonged cycling. The chemical and morphological properties of MIL-100(Fe) and, especially conjugated with their textural characteristics, can help immobilize lithium/sodium polysulfides within the highly microporous cathode structure.

Capacity loss per cycle is 0.044 mA h after 3000 cycles at 2C in Li–S cells. This behavior is confirmed when the MOF-based cathode is studied in RT Na–S batteries, managing to stabilize the capacity with a loss of less than 0.08 % during 2000 cycles at 0.1 C-rate. The excellent performance can be attributed to the synergistic effects of the highly microporous structure of MOF-100(Fe), which provide an ideal matrix to confine polysulfides, and the presence of Fe(III) active centers that provide chemical affinities to sulfur and polysulfides. These factors contribute to the excellent cycling performance of the S@MIL-100(Fe) composite in Metal-Sulfur batteries.

Link publicación:
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324005652

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