Un'illustrazione del progetto Chalmers per una batteria al litio-zolfo. La qualità altamente porosa dell'aerogel di grafene consente un'immersione di zolfo sufficientemente elevata da rendere utile il concetto di catolita. Credito:Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology
Per soddisfare le esigenze di un futuro elettrico, saranno essenziali nuove tecnologie per le batterie. Un'opzione sono le batterie al litio-zolfo, che offrono una densità di energia teorica più di cinque volte quella delle batterie agli ioni di litio. Ricercatori presso la Chalmers University of Technology, Svezia, ha recentemente svelato una svolta promettente per questo tipo di batteria, utilizzando un catolita con l'aiuto di una spugna di grafene.
La nuova idea dei ricercatori è un poroso, aerogel spugnoso in ossido di grafene ridotto che funge da elettrodo indipendente nella cella della batteria e consente un utilizzo migliore e maggiore dello zolfo.
Una batteria tradizionale è composta da quattro parti. Primo, ci sono due elettrodi di supporto rivestiti con una sostanza attiva, che sono noti come anodo e catodo. In mezzo a loro c'è un elettrolita, generalmente un liquido, permettendo agli ioni di essere trasferiti avanti e indietro. Il quarto componente è un separatore, che funge da barriera fisica, impedendo il contatto tra i due elettrodi pur consentendo il trasferimento di ioni.
I ricercatori hanno precedentemente sperimentato la combinazione di catodo ed elettrolita in un unico liquido, un cosiddetto 'catolita'. Il concetto può aiutare a risparmiare peso nella batteria, oltre a offrire una ricarica più rapida e migliori capacità di alimentazione. Ora, con lo sviluppo del grafene aerogel, il concetto si è dimostrato praticabile, offrendo risultati molto promettenti.
Prendendo una custodia per batterie a bottone standard, i ricercatori hanno prima inserito uno strato sottile di aerogel di grafene poroso. "Prendi l'aerogel, che è un cilindro lungo e sottile, e poi lo affettate, quasi come un salame. prendi quella fetta, e comprimerlo per inserirlo nella batteria, " dice Carmen Cavallo del Dipartimento di Fisica di Chalmers, e ricercatore capo dello studio. Quindi, una soluzione ricca di zolfo, il catolito, viene aggiunto alla batteria. L'aerogel altamente poroso funge da supporto, assorbendo la soluzione come una spugna.
"La struttura porosa dell'aerogel di grafene è fondamentale. Assorbe un'elevata quantità di catolita, dandoti un carico di zolfo abbastanza alto da rendere utile il concetto di catolita. Questo tipo di catolita semiliquido è davvero essenziale qui. Consente allo zolfo di circolare avanti e indietro senza perdite. Non si perde per dissoluzione, perché è già disciolto nella soluzione del catolita, "dice Carmen Cavallo.
Parte della soluzione di catolita viene applicata anche al separatore, per svolgere il suo ruolo di elettrolita. Questo massimizza anche il contenuto di zolfo della batteria.
La maggior parte delle batterie disponibili in commercio sono batterie agli ioni di litio. Ma questo tipo di batteria si sta avvicinando ai suoi limiti, e nuovi approcci chimici stanno diventando essenziali per applicazioni con requisiti di potenza più elevati. Le batterie al litio-zolfo offrono diversi vantaggi, compresa una densità di energia molto più elevata. Le migliori batterie agli ioni di litio attualmente sul mercato funzionano a circa 300 wattora per kg, con un massimo teorico di circa 350. Batterie al litio zolfo nel frattempo, hanno una densità energetica teorica di circa 1000-1500 wattora per kg.
"Per di più, lo zolfo costa poco, molto abbondante, e molto più rispettoso dell'ambiente. Le batterie al litio e zolfo hanno anche il vantaggio di non dover contenere fluoro dannoso per l'ambiente, come si trova comunemente nelle batterie agli ioni di litio, "dice Aleksandar Matic, Professore presso il Dipartimento di Fisica di Chalmers, che guida il gruppo di ricerca dietro la carta.
"L'aerogel è un tubo lungo e sottile. Lo tagli, quasi come un salame. prendi quella fetta, e comprimerlo, da inserire nella batteria, " dice Carmen Cavallo del Dipartimento di Fisica di Chalmers, e ricercatore capo dello studio. Credito:Johan Bodell/Chalmers University of Technology
Il problema con le batterie al litio-zolfo finora è stata la loro instabilità, e conseguente basso ciclo di vita. Le versioni attuali degenerano rapidamente e hanno una durata limitata con un numero di cicli impraticabile. Ma nel testare il loro nuovo prototipo, i ricercatori di Chalmers hanno dimostrato una ritenzione della capacità dell'85% dopo 350 cicli.
Il nuovo design evita i due principali problemi con il degrado delle batterie al litio-zolfo:uno, che lo zolfo si dissolve nell'elettrolita e si perde, e due, un 'effetto spola, ' per cui le molecole di zolfo migrano dal catodo all'anodo. In questo disegno, questi problemi indesiderati sono drasticamente ridotti.
L'articolo, "Un aerogel di ossido di grafene ridotto indipendente come elettrodo di supporto in un Li . senza fluoro 2 S 8 batteria al catolita Li-S, " è pubblicato nel Journal of Power Sources .
I ricercatori notano, però, che c'è ancora un lungo viaggio da fare prima che la tecnologia possa raggiungere il pieno potenziale di mercato. "Poiché queste batterie sono prodotte in modo alternativo dalla maggior parte delle batterie normali, dovranno essere sviluppati nuovi processi di produzione per renderli commercialmente sostenibili, "dice Aleksandar Matic.
