Alla fine di luglio del 2008 un aereo solare britannico ha stabilito un record non ufficiale di resistenza al volo rimanendo in volo per più di tre giorni di fila. Le batterie al litio-zolfo sono emerse come uno dei grandi progressi tecnologici che hanno permesso il volo, alimentando l'aereo durante la notte con un'efficienza ineguagliata dalle migliori batterie del giorno. Dieci anni dopo, il mondo è ancora in attesa dell'arrivo commerciale delle batterie "Li-S". Ma una svolta dei ricercatori della Drexel University ha appena rimosso una barriera significativa che ha bloccato la loro fattibilità.

Le aziende tecnologiche sanno da tempo che l'evoluzione dei loro prodotti, che siano laptop, cellulari o auto elettriche, dipende dal costante miglioramento delle batterie. La tecnologia è "mobile" solo finché la batteria glielo consente, e le batterie agli ioni di litio, considerate le migliori sul mercato, stanno raggiungendo il limite del miglioramento.

Con le prestazioni della batteria che si avvicinano a un plateau, le aziende stanno cercando di spremere fino all'ultimo volt in, e fuori, i dispositivi di accumulo riducendo le dimensioni di alcuni dei componenti interni che non contribuiscono all'accumulo di energia. Alcuni sfortunati effetti collaterali di questi cambiamenti strutturali sono i malfunzionamenti e i crolli che si sono verificati in un certo numero di tablet Samsung nel 2016.

I ricercatori e l'industria tecnologica stanno esaminando le batterie Li-S per sostituire alla fine gli ioni di litio perché questa nuova chimica consente teoricamente di impacchettare più energia in una singola batteria, una misura chiamata "densità di energia" nella ricerca e nello sviluppo delle batterie. Questa migliorata capacità, nell'ordine di 5-10 volte quello delle batterie agli ioni di litio, equivale a un tempo di funzionamento più lungo per le batterie tra una ricarica e l'altra.

Il problema è, Le batterie Li-S non sono state in grado di mantenere la loro capacità superiore dopo le prime ricariche. Si scopre che lo zolfo, che è l'ingrediente chiave per una migliore densità energetica, migra lontano dall'elettrodo sotto forma di prodotti intermedi chiamati polisolfuri, portando alla perdita di questo ingrediente chiave e le prestazioni svaniscono durante le ricariche.

Per anni gli scienziati hanno cercato di stabilizzare la reazione all'interno della batteria Li-S per contenere fisicamente questi polisolfuri, ma la maggior parte dei tentativi ha creato altre complicazioni, come l'aggiunta di peso o materiali costosi alla batteria o l'aggiunta di diverse fasi di lavorazione complicate.

Ma un nuovo approccio, riportato dai ricercatori del Drexel's College of Engineering in una recente edizione della rivista dell'American Chemical Society Materiali applicati e interfacce , intitolato "TiO Phase Stabilized into Nanofibre autoportanti come forte immobilizzatore di polisolfuro nelle batterie Li-S:prove delle interazioni acido-base di Lewis, " mostra che può trattenere i polisolfuri in posizione, mantenendo l'impressionante resistenza della batteria, riducendo il peso complessivo e il tempo necessario per produrli.

"Abbiamo creato un tappetino in nanofibra di monossido di titanio poroso indipendente come materiale ospite del catodo nelle batterie al litio-zolfo, " disse Vibha Kalra, dottorato di ricerca, un assistente professore presso il College of Engineering e autore principale della ricerca. "Questo è uno sviluppo significativo perché abbiamo scoperto che il nostro catodo monossido di titanio-zolfo è sia altamente conduttivo che in grado di legare i polisolfuri tramite forti interazioni chimiche, il che significa che può aumentare la capacità specifica della batteria preservando le sue prestazioni impressionanti per centinaia di cicli. Possiamo anche dimostrare la completa eliminazione dei leganti e del collettore di corrente sul lato del catodo che rappresentano il 30-50 percento del peso dell'elettrodo e il nostro metodo impiega solo pochi secondi per creare il catodo di zolfo, quando lo standard attuale può richiedere quasi mezza giornata."

I loro risultati suggeriscono che il tappetino in nanofibra, che a livello microscopico somiglia a un nido d'uccello, è un'ottima piattaforma per il catodo di zolfo perché attrae e intrappola i polisolfuri che si formano durante l'utilizzo della batteria. Il mantenimento dei polisolfuri nella struttura del catodo impedisce lo "spostamento, " un fenomeno che riduce le prestazioni che si verifica quando si dissolvono nella soluzione elettrolitica che separa il catodo dall'anodo in una batteria. Questo design del catodo non solo può aiutare la batteria Li-S a mantenere la sua densità di energia, ma farlo anche senza materiali aggiuntivi che aumentano peso e costo di produzione, secondo Kalra.

Per raggiungere questi doppi obiettivi, il gruppo ha studiato da vicino i meccanismi di reazione e la formazione di polisolfuri per capire meglio come un materiale ospite dell'elettrodo potrebbe aiutare a contenerli.

"Questa ricerca mostra che la presenza di una forte interazione acido-base di Lewis tra il monossido di titanio e lo zolfo nel catodo impedisce ai polisolfuri di farsi strada nell'elettrolita, che è la causa principale delle prestazioni ridotte della batteria, " ha detto Arvinder Singh, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kalra, autore del documento.

Ciò significa che il loro design del catodo può aiutare una batteria Li-S a mantenere la sua densità di energia e farlo senza materiali aggiuntivi che aumentano il peso e i costi di produzione, secondo Kalra.

Il precedente lavoro di Kalra con gli elettrodi in nanofibra ha dimostrato che offrono una serie di vantaggi rispetto ai componenti delle batterie attuali. Hanno una superficie maggiore rispetto agli elettrodi di corrente, il che significa che possono adattarsi all'espansione durante la ricarica, che può aumentare la capacità di archiviazione della batteria. Riempiendoli con un gel elettrolitico, possono eliminare componenti infiammabili dai dispositivi riducendo al minimo la loro suscettibilità alle perdite, incendi ed esplosioni. Vengono creati attraverso un processo di elettrofilatura, sembra qualcosa come fare zucchero filato, ciò significa che hanno un vantaggio rispetto agli elettrodi standard a base di polvere che richiedono l'uso di sostanze chimiche "leganti" isolanti e che deteriorano le prestazioni nella loro produzione.

In tandem con il suo lavoro per produrre senza leganti, piattaforme catodiche autoportanti per migliorare le prestazioni delle batterie, Il laboratorio di Kalra ha sviluppato una tecnica di deposizione rapida dello zolfo che impiega solo cinque secondi per ottenere lo zolfo nel suo substrato. La procedura fonde lo zolfo nei tappetini in nanofibra in un ambiente leggermente pressurizzato, Ambiente a 140 gradi Celsius—eliminando la necessità di lunghe lavorazioni che utilizzano un mix di sostanze chimiche tossiche, migliorando la capacità del catodo di mantenere la carica dopo lunghi periodi di utilizzo.

"I nostri elettrodi Li-S forniscono la giusta architettura e chimica per ridurre al minimo la perdita di capacità durante il ciclo della batteria, un ostacolo chiave nella commercializzazione delle batterie Li-S, " Kalra ha detto. "La nostra ricerca mostra che questi elettrodi mostrano una capacità effettiva sostenuta che è quattro volte superiore alle attuali batterie agli ioni di litio. E il nostro romanzo, low-cost method for sulfurizing the cathode in just seconds removes a significant impediment for manufacturing."

Since Zephyr-6's record-setting flight in 2008, many companies have invested in the development of Li-S batteries in hopes of increasing the range of electric cars, making mobile devices last longer between charges, and even helping the energy grid accommodate wind and solar power sources. Kalra's work now provides a path for this battery technology to move past a number of impediments that have slowed its progress.

The group will continue to develop its Li-S cathodes with the goals of further improving cycle life, reducing the formation of polysulfides and decreasing cost.