La domanda di dispositivi di accumulo di energia ad alte prestazioni è in forte espansione. C'è bisogno di un'alta densità di energia, batterie ricaricabili, come veicoli elettrici, elettronica portatile, e la raccolta di energia sostenibile sono in aumento. Le batterie convenzionali agli ioni di litio (Li-ion) sono mature ma limitate nella densità di energia, e non soddisfano la crescente domanda di accumulo di energia superiore.
batterie al litio-zolfo (Li-S), con densità di energia da tre a cinque volte superiore (~2600 Wh kg -1 in teoria) rispetto alle batterie agli ioni di litio, sono un candidato promettente. "La densità di energia tremendamente elevata delle batterie Li-S è dovuta al meccanismo di reazione unico. La trasformazione tra zolfo e solfuro di litio comporta una transizione di fase, conferendo una capacità estremamente elevata rispetto al meccanismo di intercalazione, "dice il dottor Qiang Zhang, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua, Cina. "Negli elettroliti aprotici comunemente usati, la litiazione dello zolfo è composta da una conversione solido-liquido-solido. Gli intermedi solubili, noti anche come polisolfuri di litio, lisciare il processo redox e consentire un'elevata capacità del catodo."
Sfortunatamente, polisolfuro solubile intermedio è sia una benedizione che una maledizione. Pur contribuendo alla capacità complessiva, la solubilità dei polisolfuri è accompagnata da diffusività, con conseguente perdita irreversibile di zolfo attivo in elettrolita, anodo o volumi morti.
"Il decadimento della capacità causato dal distacco dei polisolfuri dalla struttura del catodo è stato un grosso problema che ha ostacolato l'ampia applicazione delle batterie Li-S. La soluzione usuale per risolvere questo problema fino ad oggi è sopprimere la diffusione dei polisolfuri, come l'adozione di intercalari funzionali, additivi per la protezione dell'anodo, e nuove configurazioni di elettroliti, "dice Zhe Yuan, il primo autore di quest'opera. "Ciò nonostante, il trabocco di polisolfuri nell'elettrolita non è da imputare solo alla loro inevitabile diffusione. La colpa è anche della lenta velocità di reazione redox degli intermedi di polisolfuro".
Zhang e i suoi collaboratori hanno trovato un'intrigante analogia con il trabocco di polisolfuro, un vero e proprio diluvio, e si sono lasciati ispirare. "Rispetto a bloccare il diluvio con argini, scavare e allargare canali o canali sono approcci apparentemente più efficaci per mitigare le inondazioni, " dice Qiang. "Allo stesso modo, accelerare la reazione redox del polisolfuro, che in origine è pigro, rimuove la barriera del consumo di polisolfuri, e quindi allevia gli effetti dannosi indotti dall'accumulo di polisolfuro nell'elettrolita."
Il team ha scoperto che era l'incompatibilità tra le molecole di polisolfuro di litio polare e gli scaffold di catodo di nanocarbonio comunemente usati che limitavano la reattività redox. I materiali al nanocarbonio sono eccellenti per le batterie Li-S poiché sono altamente conduttivi e porosi. Ma la loro caratteristica di superficie non polare non favorisce l'adesione da parte di polisolfuri eteropolari, "In tal senso, abbiamo ipotizzato che sarebbe vantaggioso aggiungere una sostanza polare con elevata affinità per i polisolfuri nella struttura del catodo, e si è rivelato vero, " dice Zhe.
L'additivo magico è il disolfuro di cobalto (CoS 2 ), un mezzo metallico, minerale abbondante di terra. Il team ha importato CoS 2 in strutture di grafene mediante una facile miscelazione meccanica. I catodi modificati armati con interazioni potenziate tra CoS 2 e i polisolfuri di litio hanno mostrato reazioni redox di polisolfuri sostanzialmente accelerate, efficienze energetiche promosse e capacità di scarico elevate, come riportato in Nano lettere .
