Le batterie agli ioni di litio rappresentano la maggior parte delle batterie nell'elettronica di consumo e nei veicoli elettrici. Oggi, gli scienziati sono alla ricerca di nuove sostanze chimiche che potrebbero migliorare la densità energetica e le prestazioni delle batterie oltre le tradizionali batterie agli ioni di litio.

Un tipo di queste batterie, chiamate batterie al litio-zolfo, potrebbe offrire una maggiore densità di energia e costi inferiori rispetto alla tradizionale batteria agli ioni di litio a grafite/ossido di metallo. Però, le sue prestazioni sono spesso compromesse da una reazione parassitaria che avviene all'interno della batteria che le impedisce di funzionare in modo altrettanto efficiente.

Ora, in un nuovo studio, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto come una certa classe di materiale elettrolitico può ridurre la frequenza di questa reazione, potenzialmente aprendo la strada a batterie al litio-zolfo più efficaci.

Quando si carica una batteria al litio-zolfo, si verifica frequentemente una reazione collaterale inevitabile chiamata polisolfuro di litio spola. Mentre la batteria si carica, il solfuro di litio viene convertito in zolfo sul catodo, ma alcuni composti litio-zolfo che sono ossidati in modo incompleto possono dissolversi dal catodo nell'elettrolita, la regione liquida della batteria che separa i due elettrodi.

A questo punto, i composti litio-zolfo possono diffondersi e ridursi sull'anodo e ossidarsi nuovamente sul catodo. Questo processo può andare più e più volte in un modo che spreca la carica della batteria senza metterla in funzione.

"Con la navetta di polisolfuro, non ottieni nulla dalla batteria tranne che per riscaldarla, " disse il chimico delle Argonne Chi Cheung Su, un autore dello studio. "In termini elettrochimici, è come cercare di volare da New York a Los Angeles, ma rimanendo bloccato viaggiando avanti e indietro tra Chicago e Denver."

Gran parte della ragione per l'inizio dello spostamento dei polisolfuri avviene perché i polisolfuri sono in grado di dissolversi facilmente in un elettrolita contenente una miscela solvente di due composti chiamati diossolano (DOL) e dimetossietano (DME). "Ci sono due problemi che dobbiamo risolvere contemporaneamente:bassa solubilità e alta conduttività, "Su ha detto. "Raggiungendo entrambi, possiamo avvicinare queste batterie alla realtà".

Secondo Su, negli ultimi cinque anni circa si è assistito allo sviluppo di un nuovo tipo di materiale elettrolitico che potrebbe affrontare entrambi questi problemi. Questo materiale, chiamato idrofluoroetere, o HFE, ha una capacità di solvatazione molto inferiore pur mantenendo una conduttività generalmente buona. "Il primo passo per far arrivare il litio all'anodo consiste nel dissolverlo nell'elettrolita, " ha detto. "Come l'acqua è un ottimo solvente per il sale da cucina, Il DME è un ottimo solvente per il litio. Ma con gli HFE è come cercare di sciogliere il sale nella benzina".

Sebbene questa proprietà generale degli HFE sia nota da diversi anni, Su e i suoi colleghi hanno escogitato un modo generale per prevedere il comportamento di solvatazione e la conduttività di questa classe di molecole. Primo, li divisero in tre tipi a seconda delle loro strutture chimiche. Nel misurare le prestazioni degli elettroliti, i ricercatori hanno notato un importante compromesso:quelle sostanze chimiche che hanno mostrato il comportamento di solvatazione più basso e la minor quantità di polisolfuro spola avevano anche conduttività inferiori.

"Ciò dimostra che non esiste ancora una bacchetta magica per le batterie al litio-zolfo, e che dovremo ancora continuare a trovare modi per migliorare la chimica che abbiamo, " disse Su.

Un documento basato sulla ricerca, "Una regola di selezione per il cosolvente elettrolitico idrofluoroetere:stabilire una relazione lineare di energia libera nelle batterie litio-zolfo, " apparso nel numero del 13 maggio di Angewandte Chemie .