(Phys.org)—Il mondo delle batterie ricaricabili è pieno di compromessi. Mentre le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono attualmente le più riuscite dal punto di vista commerciale, la loro bassa densità di energia non consente una lunga autonomia di guida. Sono anche molto costosi, spesso rappresentano la metà del prezzo dei veicoli elettrici. Un'alternativa sono le batterie al litio-zolfo (Li-S), che sono attraenti per la loro elevata densità di energia gravimetrica che consente loro di immagazzinare più energia rispetto alle batterie agli ioni di litio. E anche se usano ancora del litio, la componente di zolfo consente loro di essere molto più economici delle batterie agli ioni di litio. Ma uno dei maggiori inconvenienti delle batterie Li-S è il loro breve ciclo di vita, che li fa perdere gran parte della loro capacità ogni volta che vengono ricaricati.

Ora un team di ricercatori guidati da Yi Cui, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford University, ha sviluppato una batteria Li-S in grado di trattenere oltre l'80% della sua capacità di 1180 mAh/g per 300 cicli, con il potenziale per una simile capacità di ritenzione su migliaia di cicli. In contrasto, la maggior parte delle batterie Li-S perde gran parte della propria capacità dopo poche decine di cicli.

Per ottenere questo miglioramento, i ricercatori hanno prima identificato un nuovo meccanismo che causa il decadimento della capacità nelle batterie Li-S dopo il ciclo. Affinché una batteria Li-S si ricarichi correttamente, il solfuro di litio nel catodo deve essere legato alla superficie del catodo, in questo caso, la superficie interna della nanofibra di carbonio cava che la incapsula. Questo legame crea un buon contatto elettrico per consentire il flusso di carica. Ma i ricercatori hanno scoperto che, durante il processo di dimissione, il solfuro di litio si stacca dal carbonio, con conseguente perdita di contatto elettrico che impedisce alla batteria di ricaricarsi completamente.

Prima di adesso, è stato molto impegnativo studiare il catodo di zolfo su scala nanometrica a causa della sensibilità del composto di zolfo all'aria e all'umidità, così come la sua tendenza a sublimare nel vuoto. Ma la struttura cava di nanofibre di carbonio dell'anodo, che i ricercatori hanno sviluppato in uno studio precedente, protegge lo zolfo, che ha permesso ai ricercatori di visualizzare il catodo utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) senza danneggiare in modo significativo il campione.

Dopo aver individuato il problema, i ricercatori hanno iniziato a fissarlo aggiungendo polimeri alla superficie della nanofibra di carbonio per modificare l'interfaccia carbonio-zolfo. I polimeri sono anfifilici, il che significa che sono sia idrofili (amante dell'acqua) che lipofili (amante dei grassi), simile al sapone. Questa proprietà conferisce ai polimeri punti di ancoraggio che consentono ai solfuri di litio di legarsi fortemente con la superficie del carbonio al fine di mantenere forti contatti elettrici.

Come hanno dimostrato gli esperimenti, i catodi di zolfo contenenti i polimeri anfifilici avevano prestazioni molto stabili, con un decadimento della capacità inferiore al 3% nei primi 100 cicli, e meno del 20% di decadimento per più di 300 cicli.

Sebbene il miglioramento sia un grande passo avanti, la conservazione della capacità non è ancora paragonabile alle batterie agli ioni di litio, alcuni dei quali hanno una durata che si avvicina a 10, 000 cicli. Per evitare di dover sostituire la batteria ogni pochi anni, i veicoli elettrici richiedono queste durate più lunghe. Ma Cui afferma che le batterie Li-S hanno il potenziale per colmare questo divario nel prossimo futuro.

"Utilizzando l'idea del polimero anfifilico qui in questo articolo, insieme alla progettazione e sintesi di materiali su scala nanometrica, è possibile migliorare la durata del ciclo fino a 10, 000 cicli, "Cui ha detto Phys.org . "Il mio gruppo sta lavorando su questo. I nostri recenti risultati sulla progettazione dei nanomateriali sono già migliorati a 1000 cicli".

Nel futuro, Cui pensa che le batterie Li-S daranno alle batterie agli ioni di litio una seria concorrenza.

"Le batterie Li-S diventano piuttosto promettenti per i veicoli elettrici, " ha detto. "Il ciclo di vita deve migliorare ulteriormente. Il problema della sicurezza degli anodi al litio metallico deve essere risolto. È possibile aggirare gli anodi di metallo di litio con anodi di silicio."

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