Con la crescente domanda di energia a prezzi accessibili e sostenibile, è vitale lo sviluppo continuo di batterie ad alta densità energetica. Le batterie al litio-zolfo hanno attirato l'attenzione di ricercatori accademici e professionisti del settore grazie alla loro elevata densità di energia, basso costo, abbondanza, atossicità e sostenibilità. Però, Le batterie al litio-zolfo tendono ad avere una durata di ciclo ridotta e una bassa densità di energia a causa della bassa conduttività dello zolfo e della dissoluzione degli intermedi di polisolfuro di litio negli elettroliti, che si generano quando lo zolfo puro reagisce con gli ioni di litio e gli elettroni.

Per aggirare queste sfide, un gruppo di ricerca multi-istituzionale guidato da Chunsheng Wang presso l'Università del Maryland ha sviluppato una nuova chimica per un catodo di zolfo, che offre una maggiore stabilità e una maggiore energia delle batterie Li-zolfo. Chao Luo, un assistente professore di chimica e biochimica alla George Mason University, è stato il primo autore dello studio, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) il 15 giugno.

Numerosi materiali conduttivi come grafene, nanotubi di carbonio, carbonio poroso e grafite espansa sono stati utilizzati per prevenire la dissoluzione dei polisolfuri e aumentare la conduttività elettrica dei catodi di zolfo:la sfida qui è incapsulare lo zolfo su scala nanometrica in una matrice di carbonio conduttivo con un alto contenuto di zolfo per evitare la formazione di polisolfuri.

"Abbiamo usato il legame chimico tra zolfo e ossigeno/carbonio per stabilizzare lo zolfo, Luo ha detto. "Ciò includeva un trattamento ad alta temperatura per vaporizzare lo zolfo 'incontaminato' e carbonizzare il composto organico ricco di ossigeno in un tubo di vetro sottovuoto per formare un denso composito zolfo/carbonio stabilizzato all'ossigeno con un alto contenuto di zolfo".

Inoltre, strumenti per microscopio elettronico a scansione (SEM) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM), La spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e la funzione di distribuzione delle coppie sono state utilizzate per illustrare il meccanismo di reazione degli elettrodi.

"Nei materiali compositi S/C densi, lo zolfo stabilizzato si distribuisce uniformemente in carbonio a livello molecolare con un contenuto di zolfo del 60%, "Ha detto Wang. "La formazione di interfase di elettrolita solido durante i cicli di attivazione sigilla completamente lo zolfo in una matrice di carbonio, offrendo prestazioni elettrochimiche superiori in condizioni di elettrolita povero."

Le batterie Li-zolfo hanno applicazioni nell'elettronica domestica e portatile, veicoli elettrici, dispositivi di accumulo di energia su larga scala e non solo.