Dagli smartphone alle e-bike, il numero di dispositivi elettronici mobili è in costante crescita in tutto il mondo. Di conseguenza, c'è una maggiore necessità di batterie piccole e leggere, eppure potente. Poiché il potenziale per l'ulteriore miglioramento delle batterie agli ioni di litio è quasi esaurito, gli esperti si stanno ora rivolgendo a un nuovo e promettente dispositivo di accumulo di energia:le batterie al litio-zolfo.
In un passo importante verso l'ulteriore sviluppo di questo tipo di batteria, un team guidato dal professor Thomas Bein della LMU di Monaco e da Linda Nazar della Waterloo University in Canada ha sviluppato nanoparticelle di carbonio porose che utilizzano molecole di zolfo per ottenere la massima efficienza possibile.
Nei prototipi della batteria al litio-zolfo, gli ioni di litio vengono scambiati tra elettrodi di litio e zolfo-carbonio. Lo zolfo svolge un ruolo speciale in questo sistema:in circostanze ottimali, può assorbire due ioni di litio per atomo di zolfo. È quindi un eccellente materiale di accumulo di energia grazie al suo peso ridotto. Allo stesso tempo, lo zolfo è un cattivo conduttore, il che significa che gli elettroni possono essere trasportati solo con grande difficoltà durante la carica e la scarica. Per migliorare il design di questa batteria, gli scienziati della Nanosistemi Initiative Munich (NIM) si sforzano di generare fasi di zolfo con la più ampia area di interfaccia possibile per il trasferimento di elettroni accoppiandole con un materiale conduttivo nanostrutturato.
A tal fine, Thomas Bein e il suo team al NIM hanno sviluppato per la prima volta una rete di nanoparticelle di carbonio porose. Le nanoparticelle hanno pori larghi da 3 a 6 nanometri, permettendo allo zolfo di distribuirsi uniformemente. In questo modo, quasi tutti gli atomi di zolfo sono disponibili per accettare ioni di litio. Allo stesso tempo si trovano anche vicino al carbonio conduttivo.
"Lo zolfo è molto accessibile elettricamente in queste nuove nanoparticelle di carbonio altamente porose ed è stabilizzato in modo da poter raggiungere un'elevata capacità iniziale di 1200 mAh/g e una buona stabilità del ciclo, " spiega Thomas Bein. "I nostri risultati sottolineano l'importanza della nanomorfologia per le prestazioni di nuovi concetti di accumulo di energia".
La struttura in carbonio riduce anche il cosiddetto problema dei polisolfuri. I polisolfuri si formano come prodotti intermedi dei processi elettrochimici e possono avere un impatto negativo sulla carica e scarica della batteria. La rete di carbonio lega i polisolfuri, però, fino a quando non si ottiene la loro conversione nel solfuro di dilitio desiderato. Gli scienziati sono stati anche in grado di rivestire il materiale di carbonio con un sottile strato di ossido di silicio che protegge dai polisolfuri senza ridurre la conduttività.
per inciso, gli scienziati hanno anche stabilito un record con il loro nuovo materiale:secondo gli ultimi dati, il loro materiale ha il più grande volume di pori interni (2,32 cm3/g) di tutte le nanoparticelle di carbonio mesoporose, e una superficie estremamente ampia di 2445 m2/g. Corrisponde grosso modo a un oggetto con il volume di una zolletta di zucchero e la superficie di dieci campi da tennis. Grandi superfici come questa potrebbero presto essere nascoste all'interno delle nostre batterie.
