Ibridando sp ² nanocarbonio e carbonio poroso nanostrutturato, i ricercatori hanno creato una batteria al litio-zolfo ad alta energia e ad alta potenza presso l'Università di Tsinghua, che appare nel volume 24, Numero 19 di Materiale funzionale avanzato pubblicato il 21 maggio, 2014.

"Motivato dal rapido sviluppo dell'elettronica portatile, veicoli elettrici, e la raccolta di energia rinnovabile, i dispositivi avanzati di accumulo di energia come le batterie al litio sono molto ricercati, " ha detto il dottor Qiang Zhang, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua. "Dal momento che la tradizionale batteria agli ioni di litio ha raggiunto la sua limitazione teorica per la densità di energia, il nostro gruppo ha esplorato l'enorme potenziale delle batterie al litio-zolfo, un nuovo sistema di accumulo di energia elettrochimica, e ha svolto un'ampia ricerca per circa due anni."

batterie al litio-zolfo, impiegando zolfo come catodo e litio metallico come anodo, fornisce teoricamente una densità di energia di 2600 Wh kg ^-1 , da tre a sei volte superiore rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio quando zolfo e litio reagiscono completamente. Inoltre, il materiale catodico zolfo è naturalmente abbondante, basso costo, e rispettoso dell'ambiente. Però, ci sono ancora diverse sfide da affrontare prima che le batterie al litio-zolfo trovino applicazione pratica.

"Da una parte, lo zolfo è altamente isolante elettrico e ionico. La sua conduttività è da diversi a dieci ordini di grandezza inferiore al tipico LiCoO ₂ o LiFePO ₄ materiale catodico presente nelle batterie agli ioni di litio, richiedendo dal 25 al 40 percento in più di peso in agenti conduttivi all'interno dell'intero catodo, ostacolando così la piena dimostrazione dell'elevata densità energetica intrinseca, " Qiang ha detto a Phys.org,

"D'altra parte, a causa del percorso di reazione multifase e multifase, l'intermedio altamente solubile, sempre sotto forma di anioni polisolfuro a catena, genera dal lato del catodo, diffonde attraverso la membrana, reagisce con l'anodo di litio, e navette di ritorno. Durante l'intero processo, i polisolfuri si dissolvono e reagiscono in modo irreversibile con il litio e i componenti organici, provocando la distruzione della struttura del catodo, esaurimento dell'anodo di litio, e perdita di sostanze attive. Così, il ciclo di vita è molto povero."

In realtà, simile al materiale anodico avanzato come silicio e stagno, c'è un enorme cambiamento di volume (circa il 60-70 percento) quando lo zolfo è completamente litiato in solfuro di litio più leggero, con conseguente guasto dell'impalcatura conduttiva e anche la scarsa durata. Per risolvere problemi così sfaccettati, i ricercatori devono sviluppare materiale multifunzionale con un'elevata conduttività elettrica, una via ionica interconnessa, e spazio sufficiente per accogliere lo zolfo e ritardare la diffusione dei polisolfuri.

"Il materiale di carbonio svolge un ruolo vitale nei sistemi avanzati di accumulo di energia come le batterie al litio-zolfo grazie alla loro eccellente conduttività, flessibilità meccanica, e su misura per la morfologia e la chimica di superficie", ha affermato il prof. Fei Wei. "Il nostro gruppo ha studiato a lungo il materiale in nanocarbonio e ha sviluppato una serie di metodologie per la produzione di massa di nanotubi di carbonio (CNT) e grafene, così come la loro applicazione per l'accumulo di energia. la sp ² il nanocarbonio possiede una straordinaria conduttività elettronica con un'area superficiale specifica limitata e uno spazio ristretto. Il carbonio poroso nanostrutturato come il carbone attivo e il carbonio mesoporoso hanno un'elevata superficie specifica e porosità ma una bassa conduttività a causa della natura difettosa. Poiché entrambi i due non possono soddisfare il requisito delle batterie al litio-zolfo, l'ibridazione, o il "matrimonio" di due di questi materiali si tradurrà in una nuova nanoarchitettura di carbonio che erediterà i vantaggi e mostrerà una funzionalità superiore".

Sulla base di questo concetto, Hong Jie Peng, uno studente laureato e il primo autore, ha sviluppato una strategia di deposizione chimica da vapore in situ seguita da pirolisi di idrocarburi e attivazione chimica. È stata fabbricata una nanoarchitettura CNT/grafene/carbonio poroso con straordinaria conduttività elettrica e micro/mesopori gerarchici per un catodo composito carbonio/zolfo avanzato. serbatoio di massa attivo. Il risultante litio-zolfo ha mostrato una durata del ciclo estesa e una capacità di potenza superiore.

"Speriamo che i materiali avanzati in carbonio possano aiutare le batterie al litio-zolfo a essere paragonabili al sistema a motore per il futuro trasporto elettrico". disse Hong Jie. Ulteriori studi si concentreranno sull'aumento del carico di zolfo nell'area e del contenuto effettivo, così come l'innovazione della membrana, anodo, elettrolita, e l'intera configurazione della cella. Inoltre, il materiale di carbonio ibridato ha applicazioni sorprendenti nei supercondensatori, batterie agli ioni di sodio, e batterie metallo-aria, e altre tecnologie.