Zolfo, in enorme abbondanza come sottoprodotti dell'industria petrolifera, è una delle soluzioni più intriganti per affrontare il dilemma energetico manifestando la chimica tra zolfo e litio. Così, le batterie litio-zolfo che impiegano la coppia redox litio-zolfo forniscono teoricamente una densità di energia di 2600 Wh kg-1, che è 3-5 volte superiore rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Sebbene una prospettiva promettente, vi sono ancora diversi ostacoli che ne ostacolano l'applicazione pratica. Uno dei più significativi è il rapido sbiadimento della capacità.
"Il rapido decadimento della capacità della batteria litio-zolfo è attribuito a molti aspetti. Uno dei motivi più ampiamente accettati è dovuto ai polisolfuri intermedi. I polisolfuri sono una forma di transizione dello zolfo, parzialmente litiato, che è altamente polare e solubile nel tipico elettrolita organico che abbiamo usato. Durante la dimissione, si dissolvono nell'elettrolita, diffuso dal catodo all'anodo, e reagire con l'anodo di litio. I materiali attivi si perdono in questo modo, causando una diminuzione della capacità, " ha detto il dottor Qiang Zhang, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua. "Questo problema causa enorme preoccupazione e viene dedicato uno sforzo considerevole per affrontare questo problema. Ma a noi interessa anche un altro problema, la fluttuazione dinamica dell'affinità tra diverse specie di zolfo e materiali ospiti conduttivi".
"A causa del processo di trasferimento multielettronico, specie di zolfo variano dallo zolfo elementare iniziale, polisolfuri intermedi, e prodotto di scarico finale di solfuri di litio. Lo zolfo non è polare, e quindi mostra la massima affinità con gli ospiti convenzionali di carbonio. Mentre i polsolfuri e i solfuri di litio sono altamente polari, indebolendo l'interazione tra loro e il carbonio. A causa di questa scarsa interazione, si staccano facilmente dall'ospite carbonioso e non apportano alcuna capacità. Di conseguenza, le prestazioni di una batteria al litio-zolfo si deteriorano rapidamente quando vengono impiegati solo host di carbonio puro, " disse Qiang. "Di conseguenza, una questione chiave è come scegliere un materiale ospite ideale con elevata affinità sia per lo zolfo non polare che per i polisolfuri polari, così come i solfuri di litio."
qui, nanotubi di carbonio drogati con azoto sono stati adottati come materiale ospite per il catodo di zolfo. Gli atomi di azoto con maggiore elettronegatività sono incorporati nei reticoli grafitici dei nanotubi di carbonio, che è stata dimostrata la capacità di mettere a punto la struttura elettronica e le proprietà della superficie. In che modo gli atomi di azoto droganti influenzano il comportamento elettrochimico quando vengono applicati nanotubi di carbonio drogati con azoto per la batteria litio-zolfo?
Hong Jie Peng, uno studente laureato e il primo autore, ha deliberatamente risposto a questa domanda. "In primo luogo, abbiamo condotto uno studio sulla teoria del funzionale della densità (DFT) e progettato tre modelli molecolari per illustrare il carbonio puro, carbonio con azoto al bordo, che abbiamo chiamato azoto piridinico, e carbonio con azoto sostituendo l'atomo di carbonio centrale, che abbiamo chiamato azoto quaternario. Attraverso il calcolo teorico, abbiamo scoperto che i nanotubi di carbonio drogati con azoto mostravano un'interazione più forte con polisolfuri e solfuri di litio. Ciò è attribuito all'adsorbimento di queste specie polari di zolfo sui siti drogati con azoto caricati negativamente. Ha rivelato che vale la pena provare i nanotubi di carbonio drogati con azoto".
"Quindi, abbiamo appena preparato compositi di nanotubi di carbonio/zolfo drogati con azoto e batterie assemblate per verificare se i nostri risultati teorici fossero affidabili. Sorprendentemente, l'esperimento elettrochimico corrispondeva molto bene alla previsione teorica. Rispetto alla batteria a base di nanotubi di carbonio grezzo, la vita in bicicletta è stata significativamente promossa da sei volte. Per di più, la delicata analisi elettrochimica ha supportato i risultati teorici e le prestazioni delle celle", ha affermato Hong-Jie. Questo lavoro propone l'importanza di un'interfaccia dinamica stabile tra ospiti carboniosi e ospiti contenenti zolfo e getta una nuova luce sul meccanismo di decadimento della batteria litio-zolfo, che è stato recentemente pubblicato in Interfacce materiali avanzate .
"Saranno esplorati materiali ospiti più avanzati che soddisfino la domanda di anfifilia sia per le specie di zolfo non polari che polari, " ha detto Qiang.
