Diagramma schematico dei principi di progettazione per catalizzatori litio-zolfo ad alta efficienza. Credito:Shen Zihan
Un gruppo di ricerca congiunto guidato dal Prof. Zhang Huigang dell'Institute of Process Engineering (IPE) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) e dal Dr. Lu Jun dell'Argonne National Laboratory, USA, ha trovato una relazione "a forma di vulcano" tra adsorbimento di polisolfuro e attività catalitica nelle batterie al litio-zolfo (Li-S).
Lo studio è stato pubblicato su Nature Catalysis il 16 giugno.
Secondo il Prof. Zhang, questa relazione a forma di vulcano può modificare il principio di vecchia data secondo cui "un forte assorbimento di polisolfuri porta a una buona attività catalitica".
Il sistema Li–S mostra un grande potenziale per le batterie di prossima generazione grazie alla sua elevata densità di energia. Tuttavia, la cinetica lenta delle reazioni di conversione del polisolfuro porta all'"effetto spola" e limita la capacità di velocità e la ciclicità, che ostacolano le applicazioni pratiche.
Recentemente, molti studi sperimentali hanno riportato che la conversione catalitica dei polisolfuri svolge un ruolo fondamentale nel migliorare la cinetica e sopprimere lo spostamento dei polisolfuri. Nonostante il significativo miglioramento delle prestazioni elettrochimiche delle batterie Li–S, gli studi sui catalizzatori si sono ampiamente basati su tentativi ed errori e il principio guida è rimasto sfuggente.
In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che, sebbene un forte adsorbimento di polisolfuri possa abbassare la barriera di attivazione per la conversione dei polisolfuri, a sua volta impedisce il desorbimento dei prodotti. Ciò è dovuto al principio di scala poiché i polisolfuri (da Li2 S8 a Li2 S2 /Li2 S) vengono adsorbiti sequenzialmente negli stessi siti durante la carica/scarica.
Per regolare l'energia di adsorbimento e massimizzare l'efficienza catalitica, hanno drogato il metallo di transizione nella struttura cristallografica di ZnS. I droganti sono stati posti in stati stressati e i loro orbitali d sono stati regolati di conseguenza. Di conseguenza, l'energia di adsorbimento aveva una relazione lineare con il centro della banda d dei droganti, ma l'attività catalitica ha mostrato un andamento "a forma di vulcano".
Una tale scoperta indica che l'ipotesi di vecchia data di rafforzare l'adsorbimento per migliorare la catalisi non è valida quando il desorbimento limita la velocità. "I catalizzatori e gli assorbenti in una batteria Li-S dovrebbero essere progettati separatamente per migliorare le prestazioni delle batterie Li-S", ha affermato il prof. Zhang.
Questo studio offre una base razionale per comprendere il processo catalitico delle batterie Li-S a livello atomico o molecolare e per progettare nuovi catalizzatori. + Esplora ulteriormente
