Un team dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ha fabbricato per la prima volta un nanomateriale costituito da nanoparticelle di un composto di ossido di titanio (Ti4O7) caratterizzato da un'area superficiale estremamente ampia, e lo ha testato come materiale catodico nelle batterie al litio-zolfo. Il nanomateriale altamente poroso possiede un'elevata capacità di stoccaggio che rimane pressoché costante per molti cicli di carica.

Attualmente, le batterie al litio sono una delle migliori soluzioni per immagazzinare energia elettrica in poco spazio. Gli ioni di litio in queste batterie migrano dall'anodo al polo elettrico opposto, il catodo, durante il ciclo di scarico. L'anodo e il catodo sono generalmente costituiti da composti di metalli pesanti costosi e tossici.

Un'alternativa interessante è la batteria al litio-zolfo. In questo caso, il catodo non è costituito da metalli pesanti, ma invece dello zolfo, un materiale economico e ampiamente disponibile. Poiché gli ioni di litio migrano al catodo durante il ciclo di scarica, lì avviene una reazione che forma solfuro di litio (Li2S) attraverso vari polisolfuri di litio intermedi. Durante il ciclismo, la dissoluzione dei polisolfuri di litio fa diminuire la capacità della batteria nel corso di più cicli di ricarica tramite il cosiddetto "effetto navetta". Per questa ragione, ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per migliorare i materiali catodici che sarebbero in grado di confinare o incapsulare chimicamente o fisicamente i polisolfuri, come con le nanoparticelle di biossido di titanio (TiO ₂ ), Per esempio.

Nanoparticelle di Ti4O7 con struttura a pori interconnessi

Il team HZB guidato dal Prof. Yan Lu ha ora fabbricato un materiale catodico ancora più efficace. anche qui, le nanoparticelle provvedono al confinamento dello zolfo. Però, non sono costituiti da biossido di titanio, ma invece di Ti ₄ oh ₇ molecole disposte su una superficie sferica porosa. Queste nanoparticelle porose legano i polisolfuri in modo sostanzialmente più forte del solito TiO ₂ nanoparticelle.

"Abbiamo sviluppato uno speciale processo di fabbricazione per generare questo complesso, struttura dei pori tridimensionalmente interconnessi", spiega Yan Lu. Yan Lu prima fabbrica un modello fatto di una matrice di minuscole sfere polimeriche che hanno superfici porose. Questo modello è preparato in passaggi aggiuntivi, poi immerso in una soluzione di isopropossido di titanio. Uno strato di Ti ₄ oh ₇ si forma sulle sfere porose e rimane dopo il trattamento termico, che decompone il polimero sottostante. Rispetto ad altri materiali catodici realizzati con ossidi di titanio, il ti ₄ oh ₇ la matrice di nanosfere possiede un'area superficiale estremamente ampia. 12 grammi di questo materiale coprirebbero un campo da calcio.

Funzione decodificata in BESSY II

Le misurazioni della spettroscopia a raggi X (XPS) nell'esperimento CISSY di BESSY II mostrano che i composti dello zolfo si legano fortemente alla superficie nella nanomatrice.

Elevata capacità specifica

Ciò spiega anche l'elevata capacità specifica per grammo (1219 mAh) a 0,1 C (1 C =1675 mA g ^-1 ). Anche la capacità specifica diminuisce molto poco durante ripetuti cicli di carica/scarica (0,094 per cento per ciclo). A confronto, la capacità specifica dei materiali catodici costituiti da nanoparticelle di TiO2 è di 683 mAh/g. Per aumentare la conduttività di questo materiale, è possibile applicare un rivestimento supplementare di carbonio alle nanoparticelle. La struttura altamente porosa rimane intatta dopo questo processo.

L'upscaling è fattibile

"Da oltre un anno lavoriamo per migliorare la ripetibilità di questa sintesi. Ora sappiamo come farlo. Successivamente, lavoreremo per fabbricare il materiale come un film sottile", dice Yan Lu. E la parte migliore:in questo caso, ciò che ha avuto successo in laboratorio può essere trasferito anche alla produzione commerciale. Questo perché tutti i processi, dalla chimica dei colloidi alla tecnologia del film sottile, sono scalabili.