Funcionalización de biopolímeros como estrategia para mejorar los sistemas de almacenamiento de energía - Mayrén Gutierréz, Alfonso (Universidad Autónoma Metropolitana, 2025)
The lithium-sulfur (Li-S) system is presented as one of the most promising candidates for the new generation of lithium batteries due to its high capacity and the important natural abundance of sulfur. Phenomena such as the “shuttle effect” (a phenomenon that involves the dissolution of long-chain polysulfide species in the electrolyte, migration of these species towards the anode, generation of secondary reactions and loss of active material) and the important mechanical stress due to the expansion-contraction process in each charge/discharge cycle, have limited the technological application of this system. These phenomena are presented as challenges to be solved by the scientific community that works on issues related to electrochemistry, energy storage systems and materials science. Among the different strategies to improve the performance of the Li-S system, the design of cathodic binders is interesting due to the intimate interaction that the binder has with sulfur and with the different polysulfide species generated during the reduction process. During the development of this experimental work, it is considered that in the design of binders for the lithium-sulfur system, there is a compromise between the mechanical properties and the capture of polysulfides, therefore the properties of the binders must be tuned, optimizing its affinity for soluble polysulfides generated during the reduction process, without losing sight of its elastomeric character to be able to withstand volume changes. The introduction of methanesulfonic acid in the structure of chitosan, proposed in this work, improves the mechanical properties of the system, versus the results in the literature when only chitosan is used, but decreases the suitability for the capture of polysulfides due to a blockage of the active sites of chitosan, which are no longer available to interact with polysulfides, but rather present a strong interaction with the functional groups of methanesulfonic acid (450 and 780 mAh/g at C/10, base chitosan and functionalized chitosan, respectively ). To solve this problem, it was decided to introduce organic acids to the chitosan structure with the aim of improving the mechanical properties of the material through a plasticizing effect, without blocking the active sites of the polymer, thus evaluating the effect of two fundamental properties that the materials must possess. binders for the Li-S system, resulting in an improvement in overall cell performance (311 mAh/g after 500 cycles at 1 C).; El sistema litio-azufre (Li-S) se presenta como uno de los candidatos más prometedores para la nueva generación de baterías de litio, debido a su alta capacidad y a la importante abundancia natural del azufre. Fenómenos como el “efecto shuttle” (fenómeno que involucra la disolución de especies de polisulfuro de cadena larga en el electrolito, migración de estas especies hacia el ánodo, generación de reacciones secundarias y pérdida de material activo) y el importante estrés mecánico por el que atraviesa la celda en cada ciclo de carga/descarga, han limitado la aplicación tecnológica de este sistema. Estos fenómenos se presentan como retos a resolver por parte de la comunidad científica que trabaja en temas relacionados con electroquímica, sistemas de almacenamiento de energía y ciencia de materiales. Dentro de las distintas estrategias para mejorar el desempeño del sistema Li-S, el diseño de aglomerantes catódicos resulta interesante debido a la íntima interacción que tiene el aglomerante con el azufre, así como con las distintas especies de polisulfuro que se generan durante el proceso de reducción. Durante el desarrollo de este trabajo experimental, se propone que en el diseño de los aglomerantes para el sistema litio-azufre, existe un compromiso entre las propiedades mecánicas y la captura de polisulfuros, por lo que se deben sintonizar las propiedades de los aglomerantes, optimizando su afinidad por los polisulfuros solubles generados durante el proceso de reducción, sin perder de vista el carácter elastomérico para poder soportar los cambios de volumen. La introducción de ácido metansulfónico en la estructura del quitosano, propuesta en este trabajo, mejora las propiedades mecánicas del sistema, con respecto a lo informado en la literatura cuando sólo se utiliza quitosano, pero disminuye las idoneidad para la captura de polisulfuros debido a un bloqueo de los sitios activos del polímero, que ya no se encuentran disponibles para interaccionar con los polisulfuros, sino que presentan una fuerte interacción con los grupos funcionales del ácido metansulfónico (450 y 780 mAh/g a C/10, quitosano base y quitosano funcionalizado, respectivamente). Para resolver esta problemática, se decidió introducir ácidos orgánicos a la estructura del quitosano con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del material mediante un efecto plastificante, sin bloquear los sitios activos del polímero, evaluando así el efecto de dos propiedades fundamentales que deben poseer los aglomerantes para el sistema Li-S, lo que dio como resultado una mejora en el desempeño global de la celda (311 mAh/g después de 500 ciclos a 1 C).