I veicoli elettrici potrebbero viaggiare più lontano e più energia rinnovabile potrebbe essere immagazzinata con batterie al litio-zolfo che utilizzano un nanomateriale in polvere unico.

I ricercatori hanno aggiunto la polvere, una sorta di nanomateriale chiamato struttura metallica organica, al catodo della batteria per catturare i polisolfuri problematici che di solito causano il guasto delle batterie litio-zolfo dopo poche ricariche. Un articolo che descrive il materiale e le sue prestazioni è stato pubblicato online il 4 aprile sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

"Le batterie al litio-zolfo hanno il potenziale per alimentare i veicoli elettrici di domani, ma devono durare più a lungo dopo ogni carica ed essere in grado di essere ricaricate ripetutamente, " ha affermato il chimico dei materiali Jie Xiao del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy. "La nostra struttura in metallo organico può offrire un nuovo modo per farlo accadere".

I veicoli elettrici di oggi sono generalmente alimentati da batterie agli ioni di litio. Ma la chimica delle batterie agli ioni di litio limita la quantità di energia che possono immagazzinare. Di conseguenza, i conducenti di veicoli elettrici sono spesso preoccupati di quanto lontano possono spingersi prima di dover caricare. Una soluzione promettente è la batteria al litio-zolfo, che può contenere fino a quattro volte più energia per massa rispetto alle batterie agli ioni di litio. Ciò consentirebbe ai veicoli elettrici di guidare più lontano con una singola carica, oltre ad aiutare a immagazzinare più energia rinnovabile. Il lato negativo delle batterie al litio-zolfo, però, è che hanno una durata molto più breve perché attualmente non possono essere caricate tante volte quanto le batterie agli ioni di litio.

Accumulo di energia 101

La ragione può essere trovata nel modo in cui funzionano le batterie. La maggior parte delle batterie ha due elettrodi:uno è caricato positivamente e chiamato catodo, mentre il secondo è negativo e chiamato anodo. L'elettricità viene generata quando gli elettroni fluiscono attraverso un filo che collega i due. Per controllare gli elettroni, gli atomi caricati positivamente si spostano da un elettrodo all'altro attraverso un altro percorso:la soluzione elettrolitica in cui si trovano gli elettrodi.

I principali ostacoli della batteria al litio-zolfo sono reazioni collaterali indesiderate che riducono la durata della batteria. L'azione indesiderata inizia sul catodo contenente zolfo della batteria, che si disintegra lentamente e forma molecole chiamate polisolfuri che si dissolvono nell'elettrolita liquido. Parte dello zolfo, una parte essenziale delle reazioni chimiche della batteria, non ritorna mai al catodo. Di conseguenza, il catodo ha meno materiale per mantenere le reazioni in corso e la batteria muore rapidamente.

Nuovi materiali per batterie migliori

I ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di migliorare i materiali per ogni componente della batteria per aumentare la durata e l'uso tradizionale delle batterie al litio-zolfo. Per questa ricerca, Xiao e i suoi colleghi hanno perfezionato il catodo per impedire ai polisolfuri di muoversi attraverso l'elettrolita.

Molti materiali con piccoli fori sono stati esaminati per intrappolare fisicamente i polisolfuri all'interno del catodo. Le strutture organiche in metallo sono porose, ma la forza aggiuntiva del materiale di PNNL è la sua capacità di attrarre fortemente le molecole di polisolfuro.

Il centro di nichel caricato positivamente della struttura lega strettamente le molecole di polisolfuro ai catodi. Il risultato è un legame covalente coordinato che, quando combinato con la struttura porosa della struttura, fa sì che i polisolfuri rimangano in posizione.

"La struttura altamente porosa del MOF è un vantaggio che tiene ulteriormente stretto il polisolfuro e lo fa rimanere all'interno del catodo, ", ha detto l'elettrochimico della PNNL Jianming Zheng.

Il nanomateriale è fondamentale

Le strutture metalliche organiche, chiamate anche MOF, sono composti simili a cristalli costituiti da cluster metallici collegati a molecole organiche, o linker. Insieme, i cluster e i linker si assemblano in strutture 3D porose. I MOF possono contenere un numero di elementi diversi. I ricercatori del PNNL hanno scelto il nichel del metallo di transizione come elemento centrale per questo particolare MOF a causa della sua forte capacità di interagire con lo zolfo.

Durante i test di laboratorio, una batteria al litio-zolfo con catodo MOF di PNNL ha mantenuto l'89 percento della sua capacità di alimentazione iniziale dopo 100 cicli di carica e scarica. Dopo aver dimostrato l'efficacia del loro catodo MOF, PNNL researchers now plan to further improve the cathode's mixture of materials so it can hold more energy. The team also needs to develop a larger prototype and test it for longer periods of time to evaluate the cathode's performance for real-world, large-scale applications.

PNNL is also using MOFs in energy-efficient adsorption chillers and to develop new catalysts to speed up chemical reactions.

"MOFs are probably best known for capturing gases such as carbon dioxide, " Xiao said. "This study opens up lithium-sulfur batteries as a new and promising field for the nanomaterial."

This research was funded by the Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Researchers analyzed chemical interactions on the MOF cathode with instruments at EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory at PNNL.

In January, un Comunicazioni sulla natura paper by Xiao and some of her PNNL colleagues described another possible solution for lithium-sulfur batteries:developing a hybrid anode that uses a graphite shield to block polysulfides.