Cosa ottieni quando avvolgi un sottile foglio di grafene "materiale meraviglioso" attorno a un nuovo elettrodo di zolfo multifunzionale che combina un'unità di accumulo di energia e reti di trasferimento di elettroni/ioni? Un design della struttura dell'elettrodo estremamente promettente per batterie ricaricabili al litio-zolfo.

Le batterie al litio-zolfo sono di grande interesse commerciale perché vantano densità energetiche specifiche teoriche notevolmente superiori a quelle della loro già consolidata cugina, batterie agli ioni di litio.

Nel diario Materiali APL , da AIP Publishing, un team di ricercatori guidati dal dott. Vasant Kumar dell'Università di Cambridge e dal professor Renjie Chen del Beijing Institute of Technology descrivono il loro progetto di un catodo di zolfo multifunzionale a livello nanometrico per affrontare problemi legati alle prestazioni come la bassa efficienza e il degrado della capacità.

Le strutture metalliche organiche (MOF) hanno attirato molta attenzione di recente, grazie ad un'ampia gamma di applicazioni nello stoccaggio dell'idrogeno, sequestro di anidride carbonica, catalisi e membrane. E per creare il loro catodo, il team ha sfruttato MOF "come modello" per produrre una gabbia di carbonio porosa conduttiva, in cui lo zolfo funge da ospite e ogni nanoparticella di zolfo-carbonio funge da unità di accumulo di energia in cui si verificano reazioni elettrochimiche.

"Il nostro scaffold in carbonio funge da barriera fisica per confinare i materiali attivi all'interno della sua struttura porosa, " ha spiegato Kai Xi, un ricercatore a Cambridge. "Ciò porta a una migliore stabilità del ciclismo e ad un'elevata efficienza". Hanno anche scoperto che avvolgendo ulteriormente l'unità di stoccaggio dell'energia zolfo-carbonio all'interno di un sottile foglio di grafene flessibile si accelera il trasporto di elettroni e ioni.

Cosa c'è dietro la capacità migliorata? La cinetica di trasferimento di carica veloce è resa possibile da una rete di grafene interconnessa con elevata conduttività elettrica, secondo la squadra. Il loro lavoro mostra che la struttura composita di un'impalcatura porosa con connessioni conduttive è un promettente progetto di struttura di elettrodi per batterie ricaricabili.

Questo lavoro fornisce una "base, ma flessibile, approccio sia per aumentare l'uso di zolfo sia per migliorare la stabilità del ciclo delle batterie, " Xi ha detto. "La modifica dell'unità o della sua struttura mediante doping o rivestimento polimerico potrebbe portare le prestazioni a un livello completamente nuovo".

In termini di applicazioni, l'integrazione unica dell'immagazzinamento di energia con una struttura di ioni/elettroni da parte del nuovo design della batteria ha ora aperto le porte alla fabbricazione di sistemi di accumulo di energia basati su reazioni non topotattici (che non comportano un cambiamento strutturale a un solido cristallino) ad alte prestazioni.

Quali sono le prospettive per la squadra? "Ci concentreremo sulla fabbricazione di sistemi ibridi a catodo di zolfo indipendenti per ottenere batterie ad alta densità di energia, che comporterà la personalizzazione di nuovi componenti elettrolitici e la costruzione di "strati di protezione" al litio per migliorare le prestazioni elettrochimiche delle batterie, " ha osservato Xi.