Credito:DGIST (Istituto di scienza e tecnologia Daegu Gyeongbuk)
Il gruppo di ricerca del professor Jong-Sung Yu presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria dell'Energia del DGIST ha sviluppato una tecnologia per uno strato intermedio di silice porosa caricando zolfo, un materiale attivo, nella silice. Si prevede che questo nuovo approccio sarà fondamentale per la ricerca e lo sviluppo e la commercializzazione delle batterie al litio-zolfo di prossima generazione, in cui la densità e la stabilità dell'energia sono essenziali.
Con il recente aumento della domanda di dispositivi di accumulo di energia di grande capacità, è stata attivamente condotta la ricerca su batterie secondarie di nuova generazione ad alta energia ea basso costo che possono sostituire le batterie agli ioni di litio. Le batterie al litio-zolfo, che utilizzano lo zolfo come materiale catodico, hanno una densità di energia diverse volte superiore a quella delle batterie convenzionali agli ioni di litio, che utilizzano costosi elementi delle terre rare come materiale catodico. Pertanto, si prevede che la batteria a base di zolfo sarà più adatta per dispositivi ad alta energia come veicoli elettrici e droni. Inoltre, la ricerca sulle batterie al litio-zolfo è molto diffusa perché lo zolfo è poco costoso, abbondante e non tossico.
D'altra parte, lo zolfo, un elemento attivo che produce energia elettrica, ha una bassa conduttività e il polisolfuro generato durante la carica e la scarica della batteria si diffonde verso l'elettrodo negativo della batteria, provocando la perdita di zolfo attraverso la sua reazione con il litio. Di conseguenza, la capacità e la durata della batteria si deteriorano notevolmente. Questo problema è stato risolto inserendo un nuovo strato tra l'elettrodo di zolfo e il separatore (centrale) in grado di assorbire il polisolfuro e bloccare la diffusione.
Il carbonio conduttivo, attualmente utilizzato come tecnologia interstrato per migliorare la capacità e la durata delle batterie al litio-zolfo, conferisce conduttività all'elettrodo di zolfo. Tuttavia, la diffusione dello zolfo non può essere impedita perché la sua affinità con il polisolfuro di litio polare è bassa. D'altra parte, se un ossido polare viene utilizzato come materiale di strato intermedio, la perdita di zolfo viene soppressa grazie alla sua forte interazione con il polisolfuro di litio. Tuttavia, l'utilizzo dello zolfo è inferiore a causa della sua bassa conduttività. Inoltre, i vari materiali intercalari studiati in precedenza non sono ideali perché non possono raggiungere la densità di energia e la durata del ciclo richiesta per la commercializzazione a causa del loro spessore e della bassa attività redox.
Per affrontare questi svantaggi, il team di ricerca ha prima implementato un nuovo interstrato silice/zolfo poroso redox-attivo aggiungendo zolfo nella silice dopo aver sintetizzato la silice porosa a forma di piastra. Hanno previsto che la capacità e l'efficienza della durata delle batterie al litio-zolfo sarebbero state massimizzate a causa dell'aumento indotto dallo zolfo della capacità per area della cella, poiché nello strato intermedio veniva caricato zolfo aggiuntivo, che potrebbe anche fungere da efficace polisolfuro di litio sito di adsorbimento.
Per studiare questa teoria, lo strato intermedio silice/zolfo è stato applicato a una batteria al litio-zolfo, che è stata poi caricata e scaricata 700 volte. Di conseguenza, l'interstrato poroso silice/zolfo ha raggiunto una stabilità a lungo termine molto più elevata rispetto allo strato intermedio poroso carbonio/zolfo convenzionale dopo 700 cicli di carica/scarica. In particolare, la batteria ha mostrato un'elevata capacità e proprietà durevoli e durature, anche con un elevato contenuto di zolfo di 10 mg/cm 2 e una bassa concentrazione di elettrolita:zolfo (E/S) di 4. Pertanto, è quasi pronto per l'applicazione pratica.
Il professor Jong-Sung Yu ha dichiarato:"Il nostro studio è il primo a scoprire che lo zolfo può essere caricato nei pori di un materiale poroso di silice per fungere da materiale di strato intermedio per le batterie al litio-zolfo, migliorandone la capacità e la durata". Ha aggiunto:"Questo risultato è una nuova pietra miliare nello sviluppo di batterie al litio-zolfo di prossima generazione ad alta energia e lunga durata".
Questo studio è stato condotto in collaborazione con il team della dott.ssa Amine Khalil presso l'Argonne National Laboratory (ANL). Il dottor Byung-Jun Lee, che ha conseguito il dottorato di ricerca. sotto la guida del Professor Jong-Sung Yu del Dipartimento di Energia e Scienza e Ingegneria del DGIST, è stato il primo autore. Questo studio è stato pubblicato online l'8 agosto su Nature Communications . + Esplora ulteriormente
