Per sviluppare batterie di maggiore capacità, i ricercatori hanno preso in considerazione le batterie al litio e zolfo a causa dell'elevata capacità teorica e della densità energetica dello zolfo. Ma ci sono ancora diversi problemi da risolvere prima che possano essere messi in applicazioni pratiche. Il più grande è l'effetto spola che si verifica durante il ciclismo. Per risolvere questo problema e migliorare le prestazioni della batteria al litio-zolfo, i ricercatori hanno creato un elettrodo strutturato a sandwich utilizzando un nuovo materiale che intrappola i polisolfuri e aumenta la cinetica di reazione. Sono state testate quattro varietà di design del catodo:a) elettrodo di zolfo nudo, b) la struttura parzialmente confinata PZ67/S, c) la struttura parzialmente confinata S/PZ67 e d) la struttura completamente confinata, struttura sandwich PZ67/S/PZ67, che ha superato gli altri sia nella capacità iniziale che nella capacità dopo il ciclo della batteria. Credito:Xing Gao, Siwu Li, Ying Du e Bo Wang
Le batterie agli ioni di litio non tengono il passo con la richiesta di energia da dispositivi elettronici di potenza superiore, veicoli elettrici e reti elettriche intelligenti. Per sviluppare batterie di maggiore capacità, i ricercatori hanno preso in considerazione le batterie al litio e zolfo a causa dell'elevata capacità teorica e della densità energetica dello zolfo.
Ma ci sono ancora diversi problemi da risolvere prima che le batterie al litio-zolfo possano essere messe in applicazioni pratiche, come la conduttività elettrica intrinsecamente bassa dello zolfo e il rapido decadimento della capacità causato dai polisolfuri che fuoriescono dal catodo.
Il problema più grande è l'effetto spola che si verifica durante il ciclismo. Questo effetto provoca la diffusione di polisolfuri dal catodo, creando perdita di capacità. Consuma anche molto litio fresco ed elettroliti, e riduce le prestazioni della batteria.
Per risolvere il problema della spola e migliorare le prestazioni della batteria al litio-zolfo, gli autori di un articolo pubblicato su Materiali APL , ha creato un elettrodo strutturato a sandwich utilizzando un nuovo materiale che intrappola i polisolfuri e aumenta la cinetica di reazione.
ZIF-67 è una struttura metallo-organica (MOF) costituita da ioni metallici o cluster metallici e ligandi organici. È molto promettente per lo stoccaggio e la separazione del gas, catalisi e accumulo di energia. I materiali derivati da MOF sono anche attraenti nell'accumulo di energia grazie alla loro struttura robusta, superficie porosa e alta conduttività.
Un elettrodo strutturato a sandwich con zolfo immobilizzato tra strati PZ67, PZ67/S/PZ67, migliora la densità di energia pratica della batteria al litio zolfo da tre a cinque volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio. Il PZ67 è composto da materiali polari, e il carbonio poroso ha mostrato un effetto sinergico nell'interazione chimica, fungeva da barriera fisica, offriva un'elevata conduttività per impedire l'effetto di spostamento del polisolfuro e migliorava le prestazioni di ciclo delle batterie.
"Il PZ67 poroso può non solo assorbire i polisolfuri per formare un confinamento, può anche migliorare la cinetica della reazione dei materiali attivi effettivi durante il ciclo della batteria, " ha detto l'autore Siwu Li. "Ciò significa che può anche migliorare la tensione di scarica della batteria, e questo è un grande contributo al miglioramento della densità energetica delle batterie".
L'elettrodo strutturato a sandwich che confina i polisolfuri solubili potrebbe essere utile per chiunque lavori per confinare materiali solubili, Li ha detto. Il suo team prevede di continuare il proprio lavoro per aumentare il processo di fabbricazione dell'elettrodo ibrido utilizzando una procedura di pressatura a caldo. Hanno anche in programma di affrontare le instabilità sul lato anodico delle batterie al litio-zolfo, eventualmente aggiungendo uno strato protettivo.
