Nonostante questi vantaggi, l’impiego delle batterie Li–S è stato finora limitato, poiché molte di queste batterie hanno anche un ciclo di vita basso e un elevato tasso di autoscarica. Inoltre, l'elevata densità energetica prevista per le batterie Li–S spesso diventa molto inferiore nelle applicazioni reali, a causa delle velocità elevate con cui si caricano e si scaricano.

Una reazione chimica che svolge un ruolo centrale nel garantire l’elevata capacità delle batterie Li–S è la cosiddetta reazione di riduzione dello zolfo (SRR). Questa reazione è stata ampiamente studiata, ma le sue tendenze cinetiche a velocità di corrente elevate rimangono poco comprese.

I ricercatori dell’Università di Adelaide, dell’Università di Tianjin e dell’Australian Synchrotron hanno recentemente condotto uno studio volto a delineare l’andamento cinetico dell’SRR, per informare il futuro sviluppo delle batterie Li-S ad alta potenza. Il loro articolo, pubblicato su Nature Nanotechnology , introduce anche un elettrocatalizzatore di carbonio nanocomposito che si è rivelato capace di aumentare le prestazioni delle batterie Li-S, raggiungendo un mantenimento della capacità di scarica di circa il 75%.

"L'attività degli elettrocatalizzatori per la reazione di riduzione dello zolfo (SRR) può essere rappresentata utilizzando i grafici dei vulcani, che descrivono tendenze termodinamiche specifiche", hanno scritto Huan Li, Rongwei Meng e i loro colleghi nel loro articolo. "Tuttavia, una tendenza cinetica che descriva l'SRR a tassi di corrente elevati non è ancora disponibile, limitando la nostra comprensione delle variazioni cinetiche e ostacolando lo sviluppo di batterie Li||S ad alta potenza. Utilizzando il principio di Le Chatelier come linea guida, stabiliamo un Andamento cinetico SRR che correla le concentrazioni di polisolfuro con le correnti cinetiche."

Per esaminare ulteriormente l’andamento cinetico dell’SRR a correnti elevate, i ricercatori hanno anche raccolto misurazioni mediante spettroscopia di adsorbimento di raggi X con sincrotrone ed eseguito vari calcoli orbitali molecolari. Nel complesso, i loro risultati suggeriscono che l'occupazione orbitale nei catalizzatori basati su metalli di transizione è legata alla concentrazione di polisolfuro nelle batterie e di conseguenza anche alle previsioni cinetiche SRR.

Sulla base della tendenza cinetica delineata, Li, Meng e i loro collaboratori hanno progettato un nuovo elettrocatalizzatore nanocomposito composto da un materiale a base di carbonio e cluster di CoZn. Hanno quindi integrato questo catalizzatore in una cella di batteria Li–S e ne hanno testato le prestazioni, concentrandosi sui tassi di carica-scarica.

"Quando l'elettrocatalizzatore viene utilizzato in un elettrodo positivo a base di zolfo (5 mg cm ⁻² di carico di S), la corrispondente cella a bottone Li||S (con un rapporto di massa elettrolita:S di 4,8) può essere sottoposta a cicli per 1.000 cicli a 8°C (ovvero, 13,4 A g_S ^-1 , basato sulla massa dello zolfo) e 25°C," hanno scritto i ricercatori.

"Questa cella dimostra una ritenzione della capacità di scarica di circa il 75% (capacità di scarica finale di 500 mAh g_S ^-1 ) corrispondente ad una potenza specifica iniziale di 26.120 W kg_S ^-1 ed energia specifica di 1.306 Wh kg_S ^-1 ."

Nel complesso, il recente studio di Li, Meng e colleghi mostra che maggiori concentrazioni di polisolfuro promuovono una cinetica SRR più rapida; quindi, i catalizzatori che aumentano la concentrazione di polisolfuro potrebbero accelerare questa reazione. Questo risultato è stato validato sia tramite calcoli teorici che tramite misurazioni sperimentali.

Basandosi sulle loro osservazioni, i ricercatori hanno già introdotto un elettrocatalizzatore che ha dimostrato di migliorare il mantenimento della capacità e la stabilità ciclica di una batteria Li-S. In futuro, il loro lavoro potrebbe ispirare la progettazione di altri catalizzatori promettenti, contribuendo potenzialmente allo sviluppo di nuove tecnologie per batterie Li–S ad alta potenza.