La tecnologia delle batterie agli ioni di litio (LIB) è una delle più importanti fonti di alimentazione mobili per laptop, macchine fotografiche, e smartphone. Però, l'attuale densità di energia dei LIB si sta avvicinando al limite teorico, che sottolinea l'urgente necessità di nuovi sistemi di batterie ad alta densità di energia. Tra i sistemi di accumulo ad alta densità energetica, batterie al litio-zolfo, con densità di energia di 2600 Wh kg -1 (quasi 3~5 volte rispetto a quello dei LIB tradizionali), ha il potenziale per fungere da batteria ad alta energia di prossima generazione. Lo zolfo possiede una conduttività elettrica molto bassa di 5x10 -30 S cm-1 a temperatura ambiente. Perciò, 30-70 peso materiali conduttivi per cento, per esempio. nanotubi di carbonio, grafene, carbonio poroso, e polimeri conduttivi, devono essere aggiunti nell'elettrodo per un elevato utilizzo di zolfo con l'attuale tecnologia di elaborazione. L'aggiunta di materiali nanocarbonici a bassa densità di impilamento neutralizza l'elevata densità di energia, in particolare la densità energetica volumetrica delle batterie litio-zolfo.
I ricercatori del gruppo del Prof. Qiang Zhang dell'Università Tsinghua di Pechino hanno sviluppato una nuova strategia per aumentare la quantità di carico di zolfo fino al 90% in peso nei materiali catodici basata su uno scaffold CNT/S allineato, che avvantaggia l'altissima densità di energia volumetrica delle batterie al litio-zolfo. Una capacità volumetrica di 1116 mAh・cm-3 e una densità di energia volumetrica di 434 Wh・L -1 sono stati ottenuti in base al volume della cella totale, compreso il catodo, collezionista attuale, membrana, anodo, che era ben oltre la batteria al litio a film sottile. Il team ha pubblicato i risultati in un recente numero di Nano energia (2014, 4, 65-72).
"La progettazione di materiali catodici di zolfo per batterie al litio-zolfo con un'elevata densità di energia volumetrica è cruciale per le applicazioni pratiche, " ha detto Qiang. "Abbiamo selezionato i CNT allineati come impalcatura ultraleggera perché dimostrano un'architettura porosa gerarchica, conducibilità elettrica estremamente elevata, bassa densità, oltre che a basso costo." Infatti, tali tipi di CNT allineati con una lunghezza di 20-200 μm sono stati prodotti in serie in un reattore a letto fluidizzato a un basso costo inferiore a $ 100 per kg -1 . "Questi CNT allineati possono essere facilmente dispersi nel polimero con una soglia di percolazione conduttiva ultra bassa dello 0,0025 percento in peso. Ovviamente, possono anche fungere da impalcatura conduttiva ad alta efficienza per materiali a base di zolfo." aggiunge il prof. Fei Wei, "Abbiamo trovato una scalabile, temperatura ambiente, metodo one-step per la fabbricazione di un catodo CNT/zolfo allineato. Il materiale del catodo composito possiede un contenuto di zolfo ultra elevato del 90% in peso e un'elevata densità di 1,98 g cm -3 , che è da 2 a 4 volte quello del catodo composito zolfo/carbonio di routine. Perciò, la densità di energia volumetrica di questa ricerca è ben oltre il risultato riportato".
Come sottolinea il prof. Zhang, questo approccio fa luce sulla costruzione di batterie al litio-zolfo con un'elevata densità di energia volumetrica utilizzando un catodo composito ad alta densità con un'elevata quantità di carico di zolfo. Il lavoro futuro nello sviluppo di batterie al litio-zolfo potrebbe concentrarsi sulla strategia di alleviare l'effetto navetta e sopprimere i dendriti di litio, e ulteriore miglioramento della densità di energia gravimetrica e volumetrica dei sistemi elettrochimici litio-zolfo.
