Diseño de aglutinantes poliméricos multifuncionales de naturaleza iónica para baterias de litio-azufre Público Deposited
Los fenómenos de difusión y migración (efecto shuttle) de los polisulfuros; así como, la expansión- contracción volumétrica del cátodo durante los procesos descarga y de carga en baterías litio-azufre (Li-S) contribuyen a la pérdida de material activo y daños irreversibles a la estructura del cátodo. La implementación de diferentes aglutinantes con conductividad iónica y afinidad por polisulfuros mediante polímeros con grupos funcionales polares ha sido empleada previamente con el fin de retener especies electroactivas cercanas a la interfase disminuyendo el efecto shuttle. En el estado del arte se han utilizado aglutinantes poliméricos funcionalizados con grupos catiónicos con los que se han obtenido mejores retenciones de capacidad durante el ciclado. En este trabajo se diseñaron dos tipos de aglutinantes multifuncionales con grupos amonio cuaternarios inspirados en la colina. En el primero de ellos, el diseño tiene el grupo amonio cuaternario covalentemente unido en la estructura de una cadena alifática de peso molecular controlado, a través del método de polimerización por Transferencia de Cadena por Adición-Fragmentación Reversible (RAFT): En estos polímeros el contraión cloruro del amonio cuaternario se intercambia bis-(trifluorometansulfon) imida (TFSI-), originando un líquido iónico polimerizado (PIL, Poli(ionic) liquids). Como resultado, el PIL de mayor peso molecular presentó una mejora sustancial en propiedades mecánicas, de conductividad iónica y atrapamiento de polisulfuros; de tal manera que la celda ensamblada con un cátodo con este PIL como aglomerante presentó una capacidad inicial de descarga de 961 mAh·g-1 a una velocidad de C/10 (considerando 1672 mA·g-1 como 1C). El segundo aglutinante consta del diseño y preparación de un eutectogel de conducción dual a través de la mezcla (blend) de Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato) PEDOT:PSS, en la que el primero provee interacción con polisulfuros y conductividad electrónica, mientras que el PSS actúa como polielectrolito. Donde este último presenta rigidez estructural, por lo que se preparan disolventes eutécticos profundos (DES, deep eutectic solvent) del tipo III con colina y urea (Ch-U), como dopantes y gelificantes, lo que mejora las propiedades mecánicas y de conducción del electrodo. La configuración del aglutinante en gel de PEDOT:PSS con la mezcla de DES: 2.5 %m de ChTFSI:U y 97.5 %m LiTFSI:U exhibió la mayor conductividad iónica y mejor desempeño electroquímico generalizado, obteniendo una capacidad inicial de la celda de 811 mAh·g-1 (C/5, considerando 1672 mA·g-1 como 1C), a pesar de presentar una pequeña degradación de polisulfuros, este aglomerante resulta prometedor su implementación y mejora en trabajos futuros.
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