L’attuale tecnologia delle batterie agli ioni di litio non ha la densità energetica necessaria per soddisfare la domanda di energia rinnovabile. In teoria, le batterie al litio-zolfo potrebbero essere una valida alternativa con una capacità specifica e una densità energetica più elevate. Tuttavia, lo zolfo presenta degli svantaggi che attualmente ne limitano l'adozione pratica.
Una recensione completa pubblicata su Nano Research illustra come i materiali catodici basati su strutture metallo-organiche potrebbero migliorare le prestazioni delle batterie al litio-zolfo, rendendole un'alternativa pratica alle batterie agli ioni di litio.
"L'applicazione di batterie al litio-zolfo ad alte prestazioni è ancora ostacolata da alcuni importanti problemi, che portano a una capacità pratica e a una stabilità ciclica inaccettabili", ha affermato Weihua Chen, ricercatore presso l'Università di Zhengzhou.
"In primo luogo, la scarsa conduttività elettrica dello zolfo e quella dei prodotti che scaricano aumentano significativamente la resistenza interna delle batterie, limitando l'efficienza di utilizzo dei materiali attivi. Inoltre, la grave espansione volumetrica dei catodi di zolfo dopo il processo di litiazione provoca la polverizzazione strutturale degli elettrodi. "
Con queste limitazioni, le batterie al litio-zolfo presentano problemi di sicurezza, oltre a problemi di prestazioni, che attualmente ne impediscono un'ampia adozione.
I catodi di zolfo avanzati realizzati con strutture metallo-organiche potrebbero essere la soluzione. Le strutture metallo-organiche sono generalmente costituite da uno ione/cluster metallico e hanno proprietà uniche come elevata porosità, dimensione dei pori regolabile e struttura dei pori controllabile.
Le strutture metallo-organiche incontaminate non sono ancora state adottate nelle batterie al litio-zolfo a causa della scarsa conduttività elettrica e dell'insufficiente stabilità strutturale; tuttavia, studi recenti hanno dimostrato come le strutture metallo-organiche possono essere combinate con materiali conduttivi, come il grafene, i nanotubi di carbonio e alcuni polimeri.
"A causa della microstruttura porosa, della superficie specifica accessibile estremamente ampia e del gruppo di funzioni regolabile, i materiali basati su strutture metallo-organiche hanno ricevuto l'attenzione dei ricercatori come potenziali ospiti catodici per batterie al litio-zolfo e hanno compiuto progressi significativi. In particolare, I materiali legati alla struttura metallo-organica potrebbero frenare efficacemente la dissoluzione e la diffusione del polisolfuro negli elettroliti," ha affermato Chen.
Questa revisione degli articoli pubblicati ha esaminato strutture metallo-organiche incontaminate, diversi compositi di strutture metallo-organiche e derivati di strutture metallo-organiche. Questi componenti organici e metallici inorganici inalterati hanno strutture cristallografiche e si dimostrano promettenti nello stoccaggio dello zolfo attivo. Tuttavia, la maggior parte di essi non ha la conduttività necessaria per un funzionamento efficace della batteria.
I compositi per strutture metallo-organiche migliorano le proprietà delle strutture metallo-organiche, migliorando la conduttività e rafforzando la stabilità strutturale. Grafene, nanotubi di carbonio e polimeri conduttivi sono tutte opzioni praticabili per migliorare i limiti delle strutture metallo-organiche incontaminate. Un'altra alternativa sono i materiali derivati da strutture metallo-organiche o derivati di strutture metallo-organiche.
Ad esempio, i materiali di carbonio derivati dalla struttura metallo-organica possono facilitare i trasferimenti di elettroni e ioni e risolvere i problemi di espansione del volume riscontrati all’interno dei catodi di zolfo, ma potrebbero compromettere la struttura della struttura metallo-organica. È in corso la ricerca su come questi diversi materiali potrebbero essere migliorati e utilizzati al meglio nelle batterie al litio-zolfo.
Guardando al futuro, i ricercatori stanno continuando a esplorare come i materiali basati su strutture metallo-organiche e le loro caratteristiche uniche possano migliorare le prestazioni delle batterie al litio-zolfo.
"I materiali legati alla struttura metallo-organica stanno emergendo come promettenti materiali per catodi di zolfo per batterie al litio-zolfo. Nonostante i progressi significativi negli ultimi anni, esistono ancora sfide da superare per la commercializzazione delle batterie al litio-zolfo. Ci vorrà tempo e impegno per raggiungere l'applicazione pratica dei materiali relativi alla struttura metallo-organica nelle batterie al litio-zolfo, ma questa revisione potrebbe offrire una guida utile per lo sviluppo futuro di questi materiali", ha affermato Chen.
Ulteriori informazioni: Zhengkun Xie et al, Materiali catodici basati su strutture metallo-organiche per batterie Li-S avanzate:una revisione completa, Nano Research (2024). DOI:10.1007/s12274-024-6481-0
Informazioni sul giornale: Ricerca sulla nanotecnologia
Fornito dalla Tsinghua University Press
