Gli scienziati di Singapore del NanoBio Lab (NBL) di A*STAR hanno sviluppato un nuovo approccio per preparare catodi litio-zolfo di nuova generazione, che semplifica il processo tipicamente lungo e complicato per la loro produzione. Questo rappresenta un passo promettente verso la commercializzazione di batterie al litio-zolfo, e risponde alla necessità dell'industria di un approccio pratico verso l'aumento della produzione di nuovi materiali che migliorano le prestazioni della batteria.

Sebbene la batteria agli ioni di litio sia ampiamente riconosciuta come una tecnologia avanzata in grado di alimentare in modo efficiente i moderni dispositivi di comunicazione, presenta inconvenienti come capacità di stoccaggio limitata e problemi di sicurezza a causa della sua intrinseca instabilità elettrochimica. Questo è destinato a cambiare con una nuova tecnica semplificata sviluppata dal team di ricercatori di NBL, nello sviluppo di catodi litio-zolfo da materiali economici disponibili in commercio. L'elevata densità di energia teorica dello zolfo, il basso costo e l'abbondanza contribuiscono alla popolarità dei sistemi di batterie al litio-zolfo come potenziale sostituto delle batterie agli ioni di litio.

Teoricamente, le batterie al litio-zolfo sono in grado di immagazzinare fino a 10 volte più energia di quelle agli ioni di litio, ma fino ad oggi non sono in grado di sostenere questo su ripetute cariche e scariche della batteria. Il catodo litio-zolfo di NBL ha dimostrato un'eccellente capacità specifica fino a 1, 220mAh/g, il che significa che 1 grammo di questo materiale potrebbe immagazzinare una carica di 1, 220mAh. In contrasto, un tipico catodo agli ioni di litio ha una capacità energetica specifica di 140 mAh/g. Inoltre, Il catodo di NBL potrebbe mantenere la sua elevata capacità oltre 200 cicli di ricarica con una minima perdita di prestazioni. La chiave di questo è stato l'esclusivo approccio in due fasi di NBL per la preparazione del catodo.

Costruendo prima l'ospite di carbonio prima di aggiungere la fonte di zolfo, i ricercatori hanno ottenuto un nanomateriale poroso interconnesso in 3D. Questo approccio impedisce il crollo dell'impalcatura in carbonio di NBL quando la batteria viene caricata, a differenza di quelli dei catodi preparati convenzionalmente. Quest'ultimo collassa durante il ciclo iniziale di carica e scarica, determinando un cambiamento strutturale. Come tale, i catodi convenzionali diventano molto densi e compatti con una superficie inferiore e pori più piccoli, con conseguente prestazioni della batteria inferiori rispetto all'impalcatura in carbonio di NBL. Infatti, Il catodo di NBL offriva una capacità specifica superiore del 48% e una capacità di dissolvenza inferiore del 26% rispetto ai catodi di zolfo preparati convenzionalmente. Quando più zolfo è stato aggiunto al materiale, Il catodo di NBL ha raggiunto un'elevata capacità areale pratica di 4 mAh per cm ² .

"Abbiamo dimostrato che la tecnica di preparazione dei catodi di zolfo ha una forte influenza sulle prestazioni elettrochimiche nelle batterie litio-zolfo, " ha detto il professor Jackie Y. Ying, che guida il gruppo di ricerca NBL. "Il nostro metodo è scalabile a livello industriale e prevediamo che avrebbe un impatto significativo sulla progettazione futura di pratiche batterie al litio-zolfo".

I ricercatori dell'NBL stanno lavorando per progettare e ottimizzare non solo il catodo, ma anche l'anodo, separatore ed elettrolita attraverso l'ingegneria dei nanomateriali. L'obiettivo è sviluppare un sistema a celle complete per batterie al litio-zolfo che abbia una capacità di accumulo di energia superiore, rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Un nuovo sistema di batterie può durare molto più a lungo delle batterie attuali, e sarebbe di grande interesse per i dispositivi elettronici, veicoli elettrici e accumulo di energia in rete.