Towards Robust Lithium-Sulfur Batteries: Enhancing Polysulfide Conversion through Catalyst Engineering

Els càtodes de sofre ofereixen una via prometedora cap a un emmagatzematge denergia sostenible, econòmic i dalta densitat energètica. Tot i això, la seva implementació es veu limitada per les lentes i complexes reaccions redox del sofre (RRS), que combinen processos electroquímics i químics. En aquest context, els additius catalítics capaços d'accelerar aquestes reaccions esdevenen essencials per a les bateries de liti-sofre (BLA) de nova generació. El disseny racional de catalitzadors i lenginyeria de separadors constitueixen estratègies clau per mitigar aquestes limitacions. El capítol 1 revisa l'estat actual de la tecnologia, els seus desafiaments i els requisits de rendiment, amb continguts adaptats de treballs publicats a Communications Materials (2025) i ACS Energy Letters (2024). El capítol 2 presenta els objectius de la tesi, centrats a millorar el rendiment de les BLA mitjançant el disseny de materials avançats i el desenvolupament de catalitzadors eficients. S'estableixen metes destinades a sintetitzar, caracteritzar i avaluar nous materials capaços de superar limitacions fonamentals a l'emmagatzematge electroquímic. El capítol 3 descriu els mètodes experimentals i els materials emprats. Inclou els procediments de síntesi, les tècniques de caracterització estructural i química i els protocols electroquímics aplicats per avaluar l'exercici de les BLA. També es detallen tècniques operant emprades per monitoritzar canvis estructurals i químics durant el ciclat, així com simulacions teòriques que donen suport als resultats experimentals. El capítol 4 estudia la síntesi de NiSe₂ i NiSe₂ dopat amb Fe, i analitza com el dopatge modifica l'estructura electrònica i les propietats catalítiques quan aquests materials s'apliquen com a recobriments en separadors. Les anàlisis experimentals, complementades amb càlculs de primers principis, mostren que els nuclis rics en Fe i el dopatge superficial incrementen la densitat d'estats a prop del nivell de Fermi i introdueixen electrons desapareats, millorant l'adsorció i la conversió de polisulfurs de liti (LiPS). Aquests sinergismes es tradueixen en un rendiment electroquímic superior: 1483 mAh g⁻¹ a 0,1C i 1085 mAh g⁻¹ a 1C, amb una retenció del 84,4% després de 800 cicles. Sota alta càrrega de sofre, el separador modificat manté una elevada retenció de capacitat i minimitza la pèrdua de polisulfurs. Aquest treball es va publicar a Advanced Functional Materials (2025). El capítol 5 examina la influència de la configuració d'espín electrònic a l'adsorció de polisulfurs i l'activitat catalítica. Mitjançant enginyeria de defectes, s'introdueixen vacants de Co a nanofulles de CoSe per induir polarització d'espín i augmentar la densitat d'electrons desapareguts. Aquesta reconfiguració afavoreix la interacció amb LiPS i redueix les barreres d‟activació per a les reaccions de reducció del sofre, promovent una nucleació uniforme de Li₂S. Els càtodes obtinguts arriben a 1089 mAh g⁻¹ a 1C i mostren una degradació extremadament baixa (0,017% per cicle en 1500 cicles), així com un rendiment estable sota altes càrregues de sofre. Aquest estudi va ser publicat a ACS Nano (2024). El capítol 6 aborda com els additius catalítics poden promoure rutes electroquímiques favorables davant de reaccions químiques no desitjades. Es presenta una estratègia escalable per sintetitzar parells atòmics TM–Bi (metalls 3d–bismut) ancorats en nitrur de carboni. Ni-Bi/CN i Co-Bi/CN destaquen per la seva elevada activitat, afavorint transicions electroquímiques directes i una ràpida nucleació de Li₂S. Estudis electroquímics, càlculs DFT i espectroscòpia operant mostren que l'emparellament TM-Bi desplaça els estats de banda d cap al nivell de Fermi i modula els nivells HOMO-LUMO, facilitant la interacció amb LiPS i la transferència de càrrega. Aquest treball es va publicar a Advanced Materials (2025). El capítol 7 resumeix les conclusions principals i destaca les implicacions d'aquestes troballes per al futur disseny de catalitzadors i materials en BLA i altres sistemes electroquímics avançats.