Man mano che la nostra società e i sistemi di trasporto diventano sempre più elettrificati, gli scienziati di tutto il mondo sono alla ricerca di sistemi di storage più efficienti e di maggiore capacità. I ricercatori della KAUST hanno dato un contributo importante modificando le batterie al litio-zolfo (Li-S) per eliminare un problema noto come trasferimento di polisolfuri.

"Il collo di bottiglia nell'utilizzo delle energie rinnovabili, soprattutto nei trasporti, è la necessità di batterie ad alta densità, "dice Eman Alhajji, dottorato di ricerca studente e primo autore del lavoro di ricerca.

Le batterie Li-S hanno diversi potenziali vantaggi rispetto ai tipi di batterie più comunemente usati. Hanno una capacità di immagazzinamento di energia teorica più elevata e lo zolfo è un elemento non tossico facilmente disponibile in natura. Lo zolfo è anche un prodotto di scarto dell'industria petrolchimica, quindi potrebbe essere ottenuto in modo relativamente economico aumentando la sostenibilità di un'altra industria.

La navetta di polisolfuro comporta il movimento di intermedi contenenti zolfo tra il catodo e l'anodo durante i processi chimici della batteria. Ciò degrada gravemente la capacità e la capacità di ricarica delle tecnologie delle batterie Li-S che sono state esplorate fino ad oggi.

La soluzione del team KAUST si basa su uno strato di grafene. Lo fanno sottoponendo un polimero di poliimmide all'energia laser in un processo chiamato incisione laser, creando un materiale poroso opportunamente strutturato. Una caratteristica fondamentale è che il materiale è gerarchicamente poroso in tre dimensioni, il che significa che ha una serie di pori di diverse dimensioni. Le particelle di carbonio di dimensioni nanometriche vengono quindi aggiunte e assorbite dai pori per formare il prodotto finale.

Alhajji e i suoi colleghi hanno scoperto che posizionare un sottile strato di questo materiale tra il catodo e l'anodo di una batteria Li-S sopprime in modo significativo lo spostamento del polisolfuro.

"Rendere questo intercalare autoportante con uno spessore di pochi micrometri è stata una sfida, "dice Alhajji, aggiungendo, "È stato divertente arrotolarlo come una plastilina, ma poi ho dovuto gestirlo in modo molto gentile, soprattutto durante il montaggio della batteria."

Fino ad ora, la maggior parte delle opzioni proposte per risolvere il problema dello spostamento dei polisolfuri ha sofferto di limitazioni che le rendono inadatte per applicazioni commerciali su larga scala. In contrasto, il grafene inciso al laser sviluppato presso KAUST è prodotto con un metodo che i ricercatori descrivono come "scalabile e diretto".

Alhajji ha vinto un premio per il miglior poster della Società di ricerca sui materiali 2021 basato sulla sua idea di sopprimere la spola. "Questa è una competizione davvero impegnativa, " dice il supervisore di Alhajji Husam Alshareef, aggiungendo, "Solo una manciata di studenti del programma Materials Science &Engineering di KAUST ha vinto questo premio."