I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno dimostrato in laboratorio una batteria litio-zolfo (Li/S) che ha più del doppio dell'energia specifica delle batterie agli ioni di litio, e che dura più di 1, 500 cicli di carica-scarica con decadimento minimo della capacità della batteria. Questa è la durata del ciclo più lunga riportata finora per qualsiasi batteria al litio-zolfo.

La domanda di batterie ad alte prestazioni per veicoli elettrici ed elettrici ibridi in grado di eguagliare l'autonomia e la potenza del motore a combustione incoraggia gli scienziati a sviluppare nuove chimiche delle batterie che potrebbero fornire più potenza ed energia rispetto alle batterie agli ioni di litio, attualmente la chimica delle batterie con le migliori prestazioni sul mercato.

Affinché i veicoli elettrici abbiano un'autonomia di 300 miglia, la batteria dovrebbe fornire un'energia specifica a livello di cella compresa tra 350 e 400 Wattora/chilogrammo (Wh/kg). Ciò richiederebbe quasi il doppio dell'energia specifica (circa 200 Wh/kg) delle attuali batterie agli ioni di litio. Le batterie dovrebbero anche avere almeno 1, 000, e preferibilmente 1, 500 cicli di carica-scarica senza mostrare una notevole perdita di potenza o di capacità di accumulo di energia.

"Le nostre celle possono fornire una sostanziale opportunità per lo sviluppo di veicoli a emissioni zero con un'autonomia simile a quella dei veicoli a benzina". dice Elton Cairns, della Divisione Tecnologie Energetiche Ambientali (EETD).

I risultati sono stati riportati sulla rivista Nano lettere .

Benefici dello zolfo al litio, e sfide

"La chimica delle batterie litio-zolfo ha attirato l'attenzione perché ha un'energia specifica teorica molto più alta rispetto alle batterie agli ioni di litio, " dice Cairns. "Le batterie al litio-zolfo sarebbero anche desiderabili perché lo zolfo non è tossico, sicuro ed economico, " aggiunge. Le batterie Li/S sarebbero più economiche delle attuali batterie agli ioni di litio, e sarebbero meno inclini ai problemi di sicurezza che hanno afflitto le batterie agli ioni di litio, come il surriscaldamento e l'incendio.

Anche lo sviluppo della batteria al litio-zolfo presenta le sue sfide. Durante la scarica i polisolfuri di litio tendono a dissolversi dal catodo negli elettroliti e reagiscono con l'anodo di litio formando uno strato barriera di Li2S. Questa degradazione chimica è uno dei motivi per cui la capacità della cella inizia a diminuire dopo pochi cicli.

Un altro problema con le batterie Li/S è che la reazione di conversione da zolfo a Li2S e viceversa provoca il rigonfiamento e la contrazione del volume dell'elettrodo di zolfo fino al 76% durante il funzionamento della cella, che porta alla degradazione meccanica degli elettrodi. Poiché l'elettrodo di zolfo si espande e si restringe durante il ciclo, le particelle di zolfo possono isolarsi elettricamente dal collettore di corrente dell'elettrodo.

Il design olistico delle cellule affronta la degradazione chimica e meccanica

La cella prototipo progettata dal team di ricerca utilizza diverse tecnologie elettrochimiche per affrontare questa serie di problemi. Il catodo è composto da ossido di zolfo-grafene (S-GO), un materiale sviluppato dal team in grado di adattarsi alla variazione di volume del materiale attivo dell'elettrodo poiché lo zolfo viene convertito in Li2S durante la scarica, e torna allo zolfo elementare durante la ricarica.

Per ridurre ulteriormente il degrado meccanico dovuto alla variazione di volume durante il funzionamento, il team ha utilizzato un legante elastomerico. Combinando il legante elastomerico in gomma stirene butadiene (SBR) con un agente addensante, la durata del ciclo e la densità di potenza della cella della batteria sono aumentate notevolmente rispetto alle batterie che utilizzano leganti convenzionali.

Per affrontare il problema della dissoluzione dei polisolfuri e della degradazione chimica, il team di ricerca ha applicato un rivestimento di tensioattivo cetiltrimetil ammonio bromuro (CTAB) che viene utilizzato anche nei sistemi di somministrazione dei farmaci, coloranti, e altri processi chimici. Il rivestimento CTAB sull'elettrodo di zolfo riduce la capacità dell'elettrolita di penetrare e dissolvere il materiale dell'elettrodo.

Per di più, il team ha sviluppato un nuovo elettrolita a base di liquido ionico. Il nuovo elettrolita inibisce la dissoluzione dei polisolfuri e aiuta la batteria a funzionare ad alta velocità, aumentando la velocità di ricarica della batteria, e la potenza che può fornire durante la scarica. L'elettrolita a base di liquido ionico migliora significativamente anche la sicurezza della batteria Li-S, poiché i liquidi ionici sono non volatili e non infiammabili.

La batteria inizialmente ha mostrato un'energia specifica della cella stimata di oltre 500 Wh/kg e l'ha mantenuta a> 300 Wh/kg dopo 1, 000 cicli, molto superiore a quello delle celle agli ioni di litio attualmente disponibili, che attualmente hanno una media di circa 200 Wh/kg.

"È la combinazione unica di questi elementi nella chimica e nel design delle celle che ha portato a una cella litio-zolfo le cui prestazioni non sono mai state raggiunte in laboratorio prima:lunga durata, capacità ad alta velocità, e l'energia specifica a livello cellulare elevato, "dice Cairns.

Il team sta ora cercando supporto per il continuo sviluppo della cella Li/S, compreso un maggiore utilizzo di zolfo, funzionamento in condizioni estreme, e scalare. Si cercano partnership con l'industria.

I prossimi passi nello sviluppo sono di aumentare ulteriormente la densità di energia cellulare, migliorare le prestazioni delle celle in condizioni estreme, e scalare fino a celle più grandi.