I sistemi di accumulo di energia ad alta densità energetica sono essenziali per soddisfare le sempre crescenti richieste di dispositivi elettronici, veicoli elettrici, e reti intelligenti per l'energia solare o eolica intermittente. La batteria al litio-zolfo (Li-S) è un candidato promettente per lo stoccaggio di energia di prossima generazione, con una densità di energia teorica estremamente elevata che è da cinque a sette volte superiore a quella dei LIB convenzionali.

Però, una serie di ostacoli ostacolano le applicazioni pratiche delle batterie Li–S. Uno dei problemi principali è la diffusione degli intermedi di polisolfuro dal catodo, che provoca la perdita irreversibile dei materiali attivi e il decadimento della capacità. Il nanocarbonio con una superficie non polare poiché i materiali del catodo non possono fornire effetti di legame e confinamento sufficienti per mantenere i polisolfuri all'interno del catodo. Inoltre, lo scarso contatto elettrochimico causato dalla debole combinazione tra polisolfuri attivi e nanocarbonio impedisce anche il ciclo rapido e costante delle cellule Li-S.

"Si ritiene che il doping eteroatomo sia una via promettente per l'adsorbimento e l'immobilizzazione di intermedi di polisolfuro, " dice il Prof. Qiang Zhang, un ricercatore della Tsinghua University, Cina. "Però, l'origine dell'effetto di ancoraggio offerto dagli eteroatomi non è ancora chiara, che limita ampiamente il miglioramento dell'adsorbimento dei polisolfuri e la progettazione razionale dei materiali catodici."

Più recentemente, Il prof. Q. Zhang e colleghi della Tsinghua University insieme al prof. B. Li dell'Istituto di ricerca sui metalli hanno riportato uno studio teorico sulla capacità di una serie di materiali di nanocarbonio drogati di intrappolare i polisolfuri. Ha mostrato che formando un "legame litio" (un analogo del "legame H"), la modifica chimica mediante drogante N o O migliora significativamente l'interazione tra l'ospite di carbonio e gli ospiti di polisolfuro e quindi previene efficacemente lo spostamento dei polisolfuri.

"Per la prima volta, abbiamo condotto un processo di screening chimico quantistico parallelo per scegliere gli elementi di drogaggio più efficaci che aiutano a confinare i polisolfuri." Tingzheng Hou, dice il primo autore. "Si è scoperto che il drogaggio N e O nei materiali nanocarbonici può formare una forte interazione elettrostatica dipolo-dipolo, che è stata per la prima volta identificata come l'interazione dominante tra nanocarbonio drogato e polisolfuri di litio, mentre F, B, P, I droganti S e Cl non erano in grado di formarlo".

Il lavoro sperimentale riportato da altri ricercatori si è accordato con questo risultato predittivo. Ad esempio, l'elettrodo in carta di grafene drogato con N ha mostrato un'elevata capacità specifica di circa 1000 mAh g ^-1 dopo 100 cicli e un'eccellente efficienza coulombiana del 98 percento per la cella Li-S di tipo catolita. È così possibile ottenere una durata molto estesa di oltre 2000 cicli e un tasso di decadimento della capacità estremamente basso dello 0,028 percento per ciclo.

"Per ottenere l'effetto di coppia forte verso i polisolfuri, abbiamo proposto una serie di regole per la progettazione razionale di scaffold in carbonio drogato nelle batterie Li–S in base ai nostri calcoli, "dice Hou, "Con queste condizioni soddisfatte, il carbonio drogato potrebbe offrire un forte dipolo con elezione di coppie solitarie per formare una forte interazione elettrostatica dipolo-dipolo con i polisolfuri e migliorare l'interazione. Il fattore chiave è l'elettronegatività degli atomi droganti".

Per chiarire l'importanza dell'elettronegatività, una relazione implicita del diagramma del vulcano che correla l'elettronegatività degli atomi droganti alle energie di adsorbimento è stata proposta da Qiang e dai suoi collaboratori per far luce sulla formazione del forte effetto di ancoraggio. Questa relazione offre una nuova comprensione dello screening e della progettazione razionale di materiali di nanocarbonio drogati per immobilizzare i polisolfuri.

"Se andiamo oltre le regole e il complotto del vulcano per cercare una svolta oltre il limite massimo del monodoping, esistono nanomateriali co-doping in cui due o più droganti adiacenti tra loro rafforzano sinergicamente il momento di dipolo e offrono un'affinità ancora migliore ai polisolfuri", ha affermato il Prof. Qiang. Nel prossimo futuro, studieranno ulteriormente l'effetto sinergico del co-doping ed esploreranno la possibilità di migliorare ulteriormente le interazioni interfacciali nell'interfaccia catodica.