Con il rapido sviluppo dei dispositivi elettronici portatili, automobili elettriche, e stoccaggio di energia rinnovabile, sono necessari sistemi di accumulo di energia ad alta densità. batterie agli ioni di litio, sebbene maturo e ampiamente utilizzato, hanno incontrato il limite teorico e quindi non possono soddisfare l'urgente necessità di alta densità di energia. batterie al litio-zolfo, in possesso di una densità energetica teorica di 2600 Wh kg-1, che sono circa 4 volte tanto quanto le batterie agli ioni di litio utilizzate in commercio, sono considerati candidati validi. L'abbondanza e la natura ecologica dell'elemento zolfo come materiale catodico sono fattori nell'enorme potenziale delle batterie al litio-zolfo. La combinazione di nanocarbonio e zolfo è efficace nel superare la natura isolante dello zolfo per le batterie al litio-zolfo.

"Grazie all'eccellente conduttività elettrica, resistenza meccanica e stabilità chimica, i materiali in nanocarbonio hanno svolto un ruolo essenziale nell'area dello stoccaggio avanzato dell'energia, " ha detto il dottor Qiang Zhang, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica della Tsinghua University.

Però, la maggior parte dei contributi relativi ai catodi compositi carbonio/zolfo possiede un carico areale relativamente basso di zolfo inferiore a 2,0 mg cm ^-2 , che ha impedito la piena dimostrazione delle eccezionali prestazioni dei catodi compositi C/S. "La capacità totale delle batterie agli ioni di litio utilizzate in commercio è di circa 4 mAh cm ^-2 , e quindi, il carico areale di zolfo nel catodo delle batterie litio-zolfo deve essere notevolmente migliorato, " disse Qiang.

Recentemente, gli scienziati della Tsinghua University hanno creato un elettrodo di carta a nanotubi di carbonio indipendente con un elevato carico di zolfo per batterie al litio-zolfo.

È stata impiegata una strategia dal basso verso l'alto ed è stata progettata e realizzata una struttura gerarchica.

"Selezioniamo il nanotubo di carbonio (CNT) come elemento costitutivo", Qiang ha detto a Phys.org, "I CNT sono uno dei riempitivi conduttivi più efficienti ed efficaci per gli elettrodi. Abbiamo selezionato CNT corti a parete multipla (MWCNT) con lunghezze di 10-50 μm come rete conduttiva elettrica a corto raggio per supportare lo zolfo, così come CNT super lunghi con lunghezze di 1000-2000 μm da CNT allineati verticalmente (VACNT) sia come reti conduttive a lungo raggio che leganti interpenetrati per l'elettrodo di carta gerarchico indipendente."

"Sviluppiamo una routine dal basso verso l'alto in cui lo zolfo è stato prima ben disperso nella rete MWCNT per ottenere gli elementi costitutivi MWCNT@S e poi MWCNT@S e VACNT sono stati assemblati in film macro-CNT-S tramite la dispersione in etanolo seguita dal vuoto filtrazione", Zhe Yuan, uno studente dell'Università Tsinghua, spiegato, "Tali elettrodi di zolfo con scaffold CNT gerarchici possono ospitare da 5 a 10 volte le specie di zolfo rispetto agli elettrodi convenzionali su collettori di corrente a lamina metallica, mantenendo l'elevato livello di utilizzo dello zolfo".

Nella maggior parte delle cellule Li-S segnalate, foglio di alluminio è stato utilizzato come collettore di corrente ed è stata ampiamente utilizzata una procedura di rivestimento di impasto liquido di routine. Però, c'era un rapporto dal 10 al 50% in peso di leganti, agenti conduttivi, oltre a modificare i precursori nell'elettrodo, che ha neutralizzato il vantaggio del sistema Li-S in alta capacità specifica.

qui, in questa ricerca non sono stati impiegati fogli di alluminio o leganti.

"Una capacità di scarica iniziale di 6,2 mAh cm ^-2 (995 mAh g-1), un utilizzo del 60 % di zolfo, e una velocità di dissolvenza ciclica lenta di 0,20 %/ciclo entro i 150 cicli iniziali a una bassa densità di corrente di 0,05 C sono stati raggiunti, " afferma il coautore Jia-Qi Huang della Tsinghua University. "La capacità dell'area può essere ulteriormente aumentata a 15,1 mAh cm ^-2 impilando tre elettrodi di carta CNT-S, con un carico di zolfo areale di 17,3 mg cm ^-2 come catodo in una cella Li-S." Questo lavoro è stato pubblicato nel volume 24, Numero 39 di Materiale funzionale avanzato il 22 ottobre, 2014.

Questo esperimento dimostrativo indica che il design razionale dell'elettrodo nanostrutturato offre la possibilità di un uso efficiente di materiali attivi come carico pratico. "L'attuale procedura di fabbricazione degli elettrodi dal basso verso l'alto è efficace per la preparazione di elettrodi di carta flessibili su larga scala con una buona distribuzione di tutti i composti funzionali, favorevole anche al grafene, CNT-grafene, CNTelettrodi flessibili a base di ossido metallico, " ha detto Qiang. "L'elettrodo di carta indipendente così ottenuto è promettente per le applicazioni onnipresenti delle batterie Li-S a basso costo, densità di energia elevate per i futuri dispositivi elettronici flessibili come l'elettronica intelligente e i display roll-up."