Fasi di sintesi per un composito grafene-zolfo, che può essere utilizzato come materiale catodico per batterie ricaricabili al litio-zolfo ad alta densità di energia. Copyright immagine:Hailang Wang, et al. ©2011 Società Chimica Americana
(PhysOrg.com) -- Avvolgendo minuscole particelle di zolfo in fogli di grafene, i ricercatori della Stanford University hanno sintetizzato un promettente materiale catodico per batterie ricaricabili al litio-zolfo che potrebbero essere utilizzate per alimentare veicoli elettrici su larga scala. Quando combinato con anodi a base di silicio, i nuovi catodi grafene-zolfo potrebbero portare a batterie ricaricabili con una densità energetica significativamente maggiore di quella attualmente possibile.
I ricercatori, guidato da Yi Cui e Hongjie Dai della Stanford University, hanno pubblicato il loro studio in un recente numero di Nano lettere .
Come spiegano i ricercatori nel loro studio, per alimentare veicoli elettrici competitivi con i veicoli a benzina, una delle sfide più grandi è migliorare l'energia e la densità di potenza delle batterie al litio ricaricabili. Il punto debole delle batterie è attualmente il materiale del catodo, che hanno capacità specifiche molto inferiori a quelle dei materiali anodici. (Le capacità specifiche per i materiali catodici sono circa 150 mAh/g per gli ossidi di strato e 170 mAh/g per LiFe-PO4, mentre quelli per i materiali anodici sono 370 mAh/g per la grafite e 4200 mAh/g per il silicio.)
Per migliorare il catodo, i ricercatori si sono rivolti allo zolfo, che ha una capacità specifica teorica di 1672 mAh/g, circa cinque volte superiori a quelli dei materiali catodici tradizionali. Sebbene lo zolfo abbia altri vantaggi, come il basso costo e un impatto ambientale favorevole, ha anche alcuni svantaggi. Ad esempio, lo zolfo è un cattivo conduttore, si espande durante la scarica, e i polisolfuri si dissolvono nell'elettrolita. Insieme, questi problemi causano un ciclo di vita basso, bassa capacità specifica, e bassa efficienza energetica.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che l'aggiunta di carbonio allo zolfo può aumentare la conduttività elettrica dello zolfo. Ma sebbene vari compositi carbonio-zolfo abbiano raggiunto capacità specifiche superiori a 1000 mAh/g, il loro ciclo di vita è ancora basso; rimane difficile mantenere queste elevate capacità per più di 100 cicli.
"Abbiamo sviluppato una strategia di avvolgimento del grafene per superare molti problemi relativi all'utilizzo dello zolfo come catodi delle batterie agli ioni di litio, "Cui ha detto PhysOrg.com . "Abbiamo mostrato eccellenti prestazioni ciclistiche".
Per ottenere queste elevate prestazioni, i ricercatori di Stanford hanno apportato alcune modifiche allo zolfo. Primo, hanno rivestito particelle di zolfo submicrometriche con poli(etilenglicole) (PEG) per intrappolare i polisolfuri e prevenire la loro dissoluzione. Il rivestimento flessibile in PEG migliora anche la durata del ciclo assorbendo l'espansione del volume delle particelle di zolfo durante la parte di scarico di ciascun ciclo. Prossimo, i ricercatori hanno avvolto le particelle di zolfo rivestite con fogli di grafene decorati con nanoparticelle di nerofumo, che migliora la conduttività del catodo di zolfo. Lo strato di grafene poco compattato intrappola ulteriormente i polisolfuri e si adatta all'espansione del volume dello zolfo.
“Questo è un design del materiale molto razionale per superare i problemi della dissoluzione del polisolfuro, "ha detto Hailiang Wang, autore principale del paper.
Le prestazioni ciclistiche del composito grafene-zolfo rivestito con PEG mostrano che può mantenere una capacità specifica vicina a 600 mAh/g per più di 100 cicli. Copyright immagine:Hailang Wang, et al. ©2011 Società Chimica Americana
I ricercatori hanno dimostrato che il catodo di grafene-zolfo risultante può raggiungere elevate capacità specifiche di 500-600 mAh/g per più di 100 cicli. Il nuovo materiale del catodo potrebbe essere utilizzato per fabbricare batterie ricaricabili con una densità di energia superiore a quella di altre batterie ricaricabili odierne.
"La diminuzione della capacità è solo del 10-15% circa per 100 cicli, che è molto eccitante, ", ha affermato il coautore Yuan Yang, che ha realizzato elettrodi e celle nel progetto.
Però, prima che tali batterie possano essere fabbricate, i ricercatori devono affrontare la grande variabilità delle prestazioni delle batterie litio-zolfo che hanno testato in questo studio. Per esempio, circa il 30-50% delle batterie ha avuto un decadimento del 20-25% su 100 cicli. Nel futuro, i ricercatori sperano di continuare a migliorare il limite dello zolfo per consentire il ciclo senza perdite.
“Nel complesso, le maggiori sfide che le batterie ricaricabili per veicoli elettrici devono affrontare sono l'aumento della densità energetica e la riduzione dei costi, "Cui ha detto. "L'utilizzo di materiali ad alta energia ea basso costo come lo zolfo è molto interessante".
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