I ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno progettato un nuovo, materiale catodico organico per batterie al litio. Con lo zolfo al centro, il materiale è più denso di energia, conveniente, ed ecologico rispetto ai tradizionali materiali catodici nelle batterie al litio. La ricerca è stata pubblicata su Materiali energetici avanzati il 10 aprile, 2019.

Ottimizzazione dei materiali del catodo

Dagli smartphone ai veicoli elettrici, le tecnologie che sono diventate centrali nella vita di tutti i giorni funzionano con batterie al litio. E poiché la domanda di questi prodotti continua a crescere, gli scienziati stanno studiando come ottimizzare i materiali del catodo per migliorare le prestazioni complessive dei sistemi di batterie al litio.

"Le batterie agli ioni di litio commerciali sono utilizzate in piccoli dispositivi elettronici; tuttavia, per ospitare lunghi percorsi di guida per veicoli elettrici, la loro densità energetica deve essere maggiore, " disse Zulipiya Shadike, un ricercatore associato nella divisione di chimica di Brookhaven e l'autore principale della ricerca. "Stiamo cercando di sviluppare nuovi sistemi di batterie con un'elevata densità di energia e prestazioni stabili".

Oltre a risolvere le sfide energetiche dei sistemi di batterie, i ricercatori di Brookhaven stanno esaminando progetti di materiali per batterie più sostenibili. Alla ricerca di un materiale catodico sostenibile che possa fornire anche un'elevata densità di energia, i ricercatori hanno scelto lo zolfo, un elemento sicuro e abbondante.

"Lo zolfo può formare molti legami, il che significa che può trattenere più litio e quindi avere una maggiore densità di energia, " ha detto il co-autore Adrian Hunt, uno scienziato presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven. "Lo zolfo è anche più leggero degli elementi tradizionali nei materiali catodici, quindi se fai una batteria con lo zolfo, la batteria stessa sarebbe più leggera e l'auto su cui funziona potrebbe guidare ulteriormente con la stessa carica."

Quando si progetta il nuovo materiale del catodo, i ricercatori hanno scelto un composto organodisolfuro composto solo da elementi come il carbonio, idrogeno, zolfo, e ossigeno, non i metalli pesanti che si trovano nelle tipiche batterie al litio, che sono meno rispettosi dell'ambiente. Ma mentre le batterie allo zolfo possono essere più sicure e più dense di energia, presentano altre sfide.

"Quando una batteria si sta caricando o scaricando, lo zolfo può formare un composto indesiderabile che si dissolve nell'elettrolita e si diffonde in tutta la batteria, provocando una reazione avversa, "Ha detto Shadike. "Abbiamo tentato di stabilizzare lo zolfo progettando un materiale catodico in cui gli atomi di zolfo erano attaccati a una spina dorsale organica".

I raggi X rivelano i dettagli

Una volta che gli scienziati della divisione chimica di Brookhaven hanno progettato e sintetizzato il nuovo materiale, lo hanno quindi portato a NSLS-II per comprendere meglio il suo meccanismo di scarica-carica. Utilizzando i raggi X ultraluminosi di NSLS-II in due diverse stazioni sperimentali, la linea di luce X-ray Powder Diffraction (XPD) e la linea di luce In situ e Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS), gli scienziati sono stati in grado di determinare in che modo elementi specifici nel materiale del catodo hanno contribuito alle sue prestazioni.

"Può essere difficile studiare i materiali organici delle batterie utilizzando sorgenti di luce di sincrotrone perché, rispetto ai metalli pesanti, i composti organici sono più leggeri e i loro atomi sono meno ordinati, quindi producono dati deboli, " disse Sanjit Ghose, scienziato capo presso XPD e coautore del documento. "Fortunatamente, abbiamo fasci di raggi X a flusso molto elevato e ad alta energia a NSLS-II che ci consentono di "vedere" l'abbondanza e l'attività di ciascun elemento in un materiale, compreso più leggero, elementi organici meno ordinati."

Ghose ha aggiunto, "I nostri colleghi del dipartimento di chimica hanno progettato e sintetizzato il materiale del catodo secondo la struttura teoricamente prevista. Con nostra sorpresa, le nostre osservazioni sperimentali corrispondevano esattamente alla struttura teoricamente guidata".

Iradwikanari Waluyo, scienziato capo presso IOS e coautore del documento, disse, "Abbiamo usato i raggi X molli all'IOS per sondare direttamente l'atomo di ossigeno nella spina dorsale e studiarne la struttura elettronica, prima e dopo che la batteria è stata caricata e scaricata. Abbiamo confermato che il gruppo carbonilico, che ha un doppio legame tra un atomo di carbonio e un atomo di ossigeno, non solo svolge un ruolo importante nel migliorare la capacità di carica-scarica rapida della batteria, ma fornisce anche capacità extra".

I risultati di NSLS-II e ulteriori esperimenti presso la Canadian Light Source hanno permesso agli scienziati di confermare con successo la capacità di carica-scarica della batteria fornita dagli atomi di zolfo. I ricercatori affermano che questo studio fornisce una nuova strategia per migliorare le prestazioni dei catodi a base di zolfo per le batterie al litio ad alte prestazioni.