Le batterie al litio-zolfo sono candidati promettenti per sostituire le comuni batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici poiché sono più economiche, pesare di meno, e può immagazzinare quasi il doppio dell'energia per la stessa massa. Però, le batterie al litio-zolfo diventano instabili nel tempo, e i loro elettrodi si deteriorano, limitando l'adozione diffusa.

Ora, un team di ricercatori guidati da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha riferito che un nuovo componente della batteria litio-zolfo consente un raddoppio della capacità rispetto a una batteria convenzionale al litio-zolfo, anche dopo più di 100 cicli di carica ad alta densità di corrente, che sono metriche chiave delle prestazioni per la loro adozione nei veicoli elettrici (EV) e nell'aviazione.

Lo hanno fatto progettando un nuovo legante polimerico che regola attivamente i processi chiave di trasporto ionico all'interno di una batteria al litio-zolfo, e hanno anche mostrato come funziona a livello molecolare. Il lavoro è stato recentemente segnalato in Comunicazioni sulla natura .

"Il nuovo polimero funge da parete, " disse Brett Helms, uno scienziato del personale presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab e corrispondente autore dello studio. "Lo zolfo viene caricato nei pori di un ospite di carbonio, che vengono poi sigillati dal nostro polimero. Poiché lo zolfo partecipa alle reazioni chimiche della batteria, il polimero impedisce la fuoriuscita dei composti solforati carichi negativamente. La batteria ha grandi promesse per consentire la prossima generazione di veicoli elettrici".

Quando una batteria al litio-zolfo immagazzina e rilascia energia, la reazione chimica produce molecole mobili di zolfo che si staccano dall'elettrodo, causandone il degrado e riducendo infine la capacità della batteria nel tempo. Per rendere queste batterie più stabili, i ricercatori hanno tradizionalmente lavorato per sviluppare rivestimenti protettivi per i loro elettrodi, e per sviluppare nuovi leganti polimerici che fungono da colla che tiene insieme i componenti della batteria. Questi leganti hanno lo scopo di controllare o mitigare il rigonfiamento e la rottura dell'elettrodo.

Il nuovo raccoglitore va oltre. Ricercatori della struttura di sintesi organica presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab, un centro di ricerca specializzato in scienze su nanoscala, progettato un polimero per mantenere lo zolfo nelle immediate vicinanze dell'elettrodo legando selettivamente le molecole di zolfo, contrastare le sue tendenze migratorie.

Il passo successivo è stato quello di comprendere i cambiamenti strutturali dinamici che potrebbero verificarsi durante la carica e la scarica, nonché in diversi stati di carica. David Prendergast, che dirige il Centro Teorico della Fonderia, e Tod Pascal, uno scienziato di progetto nella Theory Facility, ha costruito una simulazione per testare le ipotesi dei ricercatori sul comportamento del polimero.

"Ora possiamo modellare in modo affidabile ed efficiente la chimica dello zolfo all'interno di questi leganti sulla base dell'apprendimento da dettagliate simulazioni di meccanica quantistica dei prodotti contenenti zolfo disciolto, " ha dichiarato Prendergast.

Le loro simulazioni di dinamica molecolare su larga scala, condotto su risorse di supercalcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, ha confermato che il polimero ha un'affinità per legare le molecole mobili di zolfo, e ha anche previsto che il polimero avrebbe probabilmente mostrato una preferenza per il legame di diverse specie di zolfo a diversi stati di carica per la batteria. Gli esperimenti condotti presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab e l'Electrochemistry Discovery Lab dell'Argonne National Laboratory hanno confermato queste previsioni.

Il team di ricerca ha compiuto un ulteriore passo avanti nello studio esaminando anche le prestazioni delle celle litio-zolfo realizzate con il nuovo legante polimerico. Attraverso una serie di esperimenti, sono stati in grado di analizzare e quantificare come il polimero influenza la velocità di reazione chimica nel catodo di zolfo, che è la chiave per ottenere un'elevata densità di corrente e un'elevata potenza con queste celle.

Quasi raddoppiando la capacità elettrica della batteria su cicli a lungo termine, il nuovo polimero alza l'asticella della capacità e della potenza delle batterie al litio-zolfo.

La comprensione combinata della sintesi, teoria, e le caratteristiche del nuovo polimero lo hanno reso un componente chiave nel prototipo di cella litio-zolfo presso il Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) del DOE.