Le batterie ad alta densità di energia sono essenziali per soddisfare la domanda di future applicazioni nell'elettronica portatile e nei veicoli elettrici. A causa della densità energetica teorica di 2600 Wh/kg, la batteria al litio-zolfo è considerata un candidato promettente per la prossima generazione, soluzioni per batterie ad alta energia. Però, le carenze nel rapido degrado della capacità e nella bassa efficienza del ciclo non sono state risolte, che ostacola l'applicazione pratica del sistema di batterie al litio-zolfo. Un ricercatore della Tsinghua University ha proposto un sistema separatore a strati ternari per batterie litio-zolfo con una lunga durata, alta efficienza coulombiana, e un elevato utilizzo di zolfo.
"Una nuova generazione di batterie ricaricabili al litio-zolfo si basa sulla chimica redox a trasferimento multielettronico, " ha detto a Phys.Org il Dr. Qiang Zhang della Tsinghua University. " Fatta eccezione per l'elevata densità di energia, Le batterie al litio-zolfo presentano vantaggi rispetto alle normali batterie agli ioni di litio, come il materiale catodico economico e le prestazioni operative a bassa temperatura".
Nonostante il vantaggio dei sistemi litio zolfo, esiste un effetto navetta intrinseco degli intermedi di polisolfuro in una cella litio-zolfo. "Tali effetti navetta causano la bassa efficienza coulombiana e inducono il degrado della capacità attraverso il consumo di zolfo attivo e la reazione chimica interna, " ha detto il dottor Jia-Qi Huang, professore associato all'Università Tsinghua.
Questo gruppo di ricerca ha compiuto grandi sforzi verso un separatore ionoselettivo per celle litio-zolfo. Basato sul confinamento fisico e sulla repulsione elettrostatica, i ricercatori hanno coperto la superficie dei normali separatori di polimeri con nanofogli ultrasottili di ossido di grafene (GO) e poi hanno gettato su di essa un sottile strato di Nafion. "Nella struttura del separatore a strati ternari, il separatore di polipropilene macroporoso funge da strato matrice e fornisce resistenza meccanica al separatore. I fogli GO hanno formato uno strato con piccoli canali per il trasporto di ioni di litio e sono serviti da strato barriera compatto con gruppi funzionali ossigenati per ancorare Nafion. In questo modo, possiamo ridurre significativamente il carico dell'area dello strato ritardante di Nafion e mantenere la permselettività per gli ioni di litio contro gli anioni di polisolfuro. Sia la repulsione elettrostatica che l'effetto selettivo delle dimensioni sono efficaci con questa strategia", ha affermato Ting-Zhou Zhuang, un master candidato nel gruppo di ricerca.
In totale, lo strato di carico funzionale sul separatore di routine è di soli 0,053 mg cm -2 . Quando il separatore ternario è incorporato nelle batterie litio-zolfo, la capacità di scarica è stata migliorata da 969 a 1057 mAh g -1 ; l'efficienza coulombiana è aumentata dall'80 al 95% senza l'additivo LiNO3; il tasso di decadimento è stato ridotto dallo 0,34% allo 0,18% in 200 cicli; e l'autoscarica era inibita. L'utilizzo dello zolfo ha raggiunto il 73% con un'elevata quantità di carico di zolfo di 4,0 mg cm -2 .
"La modifica della membrana ha dimostrato di essere un metodo efficace per le batterie al litio-zolfo. La struttura della membrana ternaria sfrutta al meglio ogni elemento costitutivo, e il separatore composito multistrato è più efficiente di un separatore a strato singolo. Questa strategia apre nuove opportunità nello sviluppo di separatori multifunzionali verso batterie migliori", ha affermato Qiang Zhang.
Un separatore ternario proof-of-concept di un PP/GO/Nafion a strati è stato progettato razionalmente, fabbricato, e applicato nelle batterie Li–S con un migliore utilizzo dello zolfo, efficienza coulombiana, e lunga vita in bicicletta. Questo lavoro offre un concetto di sistema ternario, in cui la combinazione razionale dei mattoni in strutture gerarchiche era indispensabile per dimostrare pienamente i loro ruoli nel sistema ternario con multifunzioni e multiapplicazioni.
