batterie ricaricabili al litio-zolfo, dove gli elettrodi sono fatti di litio (Li) metallo e zolfo (S) separati da un elettrolita liquido, potremmo sostituire le batterie agli ioni di litio se potessimo capire come fermare le reazioni che diminuiscono le prestazioni della batteria. Durante il funzionamento a batteria, ioni polisolfuro si formano all'elettrodo di zolfo, ma possono dissolversi nell'elettrolita e alla fine limitare le prestazioni della batteria. I calcoli mostrano che si verifica un'estesa formazione di cluster (struttura sinistra (Li2S4)n) per polisolfuri più corti, che limita la solubilità degli ioni più corti nel solvente puro. Meno clustering si è verificato quando un sale di litio è stato aggiunto al solvente per formare l'elettrolita liquido (struttura destra (Li 2 S4) n-x TFSI n' ), che inaspettatamente ha aumentato la solubilità degli ioni più corti nell'elettrolita. Queste istantanee delle strutture forniscono approfondimenti sulla progettazione degli elettroliti per consentire batterie migliori.
Nel futuro, Le batterie ricaricabili al litio-zolfo (Li-S) potrebbero contenere più energia e costare meno delle batterie agli ioni di litio se possono essere fatte durare più a lungo. Una sfida fondamentale è impedire che gli ioni di polisolfuro che devono formarsi all'elettrodo di zolfo durante la scarica vengano trasportati attraverso l'elettrolita liquido all'altro elettrodo. Qui, i ricercatori hanno scoperto come la solubilità e il trasporto degli ioni polisolfuro nell'elettrolita liquido siano correlati alla lunghezza della catena dello ione polisolfuro, la tendenza dello ione a raggrupparsi, e la quantità di sale di litio presente nell'elettrolita. È interessante notare che i polisolfuri di qualsiasi lunghezza o struttura della catena disciolti nell'elettrolita liquido possono contribuire a prestazioni inferiori della batteria.
L'aumento della durata delle batterie ricaricabili al litio-zolfo richiede di impedire il trasporto di polisolfuro tra gli elettrodi durante il funzionamento. La conoscenza di come le molecole di sale e solvente dell'elettrolita interagiscono con i polisolfuri aiuta a comprenderne la solubilità. Le intuizioni degli studi su queste interazioni potrebbero aiutare nella progettazione di nuovi elettroliti per una maggiore durata, pratiche batterie ricaricabili al litio-zolfo.
La batteria litio-zolfo ha una densità energetica teorica molto maggiore delle batterie commerciali agli ioni di litio; però, la tecnologia mostra dissolvenza e quindi durata della batteria limitata. In queste batterie, specie di zolfo attivo (come ioni di polisolfuro disciolti) migrano verso l'elettrodo di litio metallico. Quindi, All'elettrodo possono verificarsi reazioni irreversibili che coinvolgono questi polisolfuri che comportano la perdita della sua capacità di immagazzinare carica. I tentativi di proteggere il metallo dai polisolfuri hanno avuto successo solo in parte.
Gli scienziati del Joint Center for Energy Storage Research si sono concentrati sulla regolazione della composizione dell'elettrolita per controllare come si dissolvono i polisolfuri, spostare, e interagire. Recentemente, utilizzando studi teorici e sperimentali combinati, gli scienziati hanno scoperto che la solubilità dei polisolfuri (Li 2 S X , x=2-8) dipendono dalla lunghezza della catena dello ione solfuro. I polisolfuri più corti formano grandi ammassi, con un massimo di quindici ioni in ciascun cluster, che ne limita la solubilità. I polisolfuri più lunghi (con più di quattro atomi di zolfo) mostrano una maggiore solubilità, ma lento trasporto nel solvente puro. Sorprendentemente, l'aggiunta di un sale di litio per formare una soluzione elettrolitica ha aumentato la solubilità dei polisolfuri a catena corta fornendo interazioni favorevoli tra il sale e i polisolfuri.
I ricercatori hanno anche calcolato e misurato sperimentalmente i tassi di diffusione per lo ione litio e altre specie negli elettroliti a diversi rapporti sale/solvente. Elevate concentrazioni di sale potrebbero controllare favorevolmente come si dissolvono i polisolfuri, ma ha comportato una mobilità ridotta per le specie ioniche e una conduttività ionica insufficiente. Comprendere la struttura e la dinamica degli elettroliti litio-zolfo offre l'opportunità di mettere a punto la composizione dell'elettrolita. Con queste intuizioni, futuri elettroliti potrebbero essere progettati per fornire un trasporto efficiente di ioni tra gli elettrodi, mentre sopprime la dissoluzione e la migrazione delle specie di polisolfuri.
