Le batterie al litio-zolfo sono state un argomento caldo nella ricerca sulle batterie a causa della loro capacità di produrre fino a 10 volte più energia rispetto alle batterie convenzionali, il che significa che sono molto promettenti per le applicazioni nei veicoli elettrici che richiedono molta energia.

Però, ci sono stati ostacoli fondamentali alla commercializzazione di queste batterie allo zolfo. Uno dei problemi principali è la tendenza ai prodotti di reazione di litio e zolfo, chiamati polisolfuri di litio, per dissolversi nell'elettrolita della batteria e viaggiare verso l'elettrodo opposto in modo permanente. Questo fa sì che la capacità della batteria diminuisca nel corso della sua vita.

Ricercatori del Bourns College of Engineering dell'Università della California, Riverside ha studiato una strategia per prevenire questo fenomeno di "spostamento di polisolfuri" creando particelle di zolfo di dimensioni nanometriche, e rivestendoli di silice (SiO2), altrimenti noto come vetro.

Il lavoro è descritto in un documento, "SiO2 - Particelle di zolfo rivestite come materiale catodico per batterie al litio-zolfo, " appena pubblicato online sulla rivista Nanoscala . Inoltre, i ricercatori sono stati invitati a presentare il loro lavoro per la pubblicazione nel numero speciale a tema Dispositivi energetici a base di grafene in RSC Nanoscale.

dottorato di ricerca gli studenti dei gruppi di ricerca di Cengiz Ozkan e Mihri Ozkan hanno lavorato alla progettazione di un materiale catodico in cui le gabbie di silice "intrappolano" i polisolfuri con un guscio di silice molto sottile, e i prodotti di polisolfuro delle particelle ora affrontano una barriera di intrappolamento:una gabbia di vetro. Il team ha utilizzato un precursore organico per costruire la barriera di intrappolamento.

"La nostra sfida più grande era ottimizzare il processo per depositare SiO2 - non troppo spesso, non troppo magro, sullo spessore di un virus", ha detto Mihri Ozkan.

Studenti laureati Brennan Campbell, Jeffrey Bell, Hamed Hosseini Bay, Zaccaria Favori, e Robert Ionescu hanno scoperto che le particelle di zolfo ingabbiate di silice fornivano prestazioni della batteria sostanzialmente più elevate, ma ha ritenuto che fosse necessario un ulteriore miglioramento a causa della sfida con la rottura del guscio di SiO2.

"Abbiamo deciso di incorporare l'ossido di grafene leggermente ridotto (mrGO), un parente stretto del grafene, come additivo conduttivo nella progettazione del materiale del catodo, per fornire stabilità meccanica alle strutture in gabbia di vetro", ha detto Cengiz Ozkan.

Il catodo di nuova generazione ha fornito un miglioramento ancora più drammatico rispetto al primo progetto, poiché il team ha progettato sia una barriera che intrappola i polisolfuri che una coperta flessibile di ossido di grafene che imbriglia insieme lo zolfo e la silice durante il ciclismo.

"Il design della struttura nucleo-guscio si basa essenzialmente sulla funzionalità dell'assorbimento superficiale del polisolfuro dal guscio di silice, anche se il guscio si rompe", ha detto Brennan Campbell. "L'incorporazione di mrGO serve al sistema per mantenere in posizione le trappole di polisolfuro. Lo zolfo è simile all'ossigeno nella sua reattività ed energia, ma presenta ancora sfide fisiche, e il nostro nuovo design del catodo consente allo zolfo di espandersi e contrarsi, ed essere imbrigliato."