Nuove ricerche sulle batterie ricaricabili a base di litio e zolfo aumentano le prestazioni di settore. Realizzate unità in grado conservare l'80% della capacità iniziale dopo 25.000 cicli e prototipi di grande superficie e alta capacità
Batterie ricaricabili Li-S, le ultime novità dalla ricerca
Non si arrestano gli sforzi della ricerca mondiale per portare la ricaricabili a base di litio e zolfo sul mercato di massa. Ed facile intuirne il motivo. La batteria litio zolfo, composta da zolfo come catodo (elettrodo positivo) e litio metallico come anodo (elettrodo negativo), vanta una densità energetica teorica in grado di far impallidire quella delle tradizionali batteria a ioni di litio. Si stima di poter arrivare fino a 500 Wh/kg sfruttando materiali catodici con densità teoriche di 2.600 Wh/kg. Inoltre porta con sé un’ulteriore plus: si tratta di una tecnologia più conveniente (un terzo del costo delle ioni litio) e rispettosa dell’ambiente rispetto allo standard di mercato.
Batteria litio zolfo, gli ostacoli da superare
Tuttavia esistono tre principali ostacoli all’implementazione di queste ricaricabili. A cominciare dall’elettrochimica dello zolfo limitata dalla natura isolante dei materiali attivi e dai cambiamenti volumetrici durante i cicli di carica-scarica. Fattori in grado di indebolire l’integrità dell’elettrodo. In secondo luogo, l’impiego di litio metallico reattivo può portare a una grave decomposizione dell’elettrolita e alla formazione di dendriti, strutture aghiformi ramificate che mettono a rischio il funzionamento e la sicurezza della batteria.
Terza e ultima barriera la migrazione (shuffle) dei polisolfuri di litio tra l’elettrodo e l’elettrolita durante il ciclo di carica e scarica. Questi composti possono dissolversi nell’elettrolita, causando fenomeni di deposizione o contribuire anche alla formazione di intermedi instabili. In entrambi i casi la batteria va incontro ad una perdita progressiva di prestazioni.
Nuovo record per i cicli di carica-scarica
In questi giorni due ricerche di settore hanno fornito nuovi contributi alla risoluzione dei problemi.
La prima appartiene ad un team di ingegneri e scienziati dei materiali provenienti dalla Università Justus Liebig Giessen (Germania) e dalla Università di Pechino (Cina). Il gruppo ha messo a punto una batteria al litio zolfo allo stato solido in grado di conservare l’80% della sua capacità iniziale dopo 25.000 cicli di carica-scarica.
L’ingrediente segreto? L’elettrolita in fase vetrosa a base di zolfo, boro, litio, fosforo e iodio. Questo composto, oltre a fungere da conduttore superionico, funziona come mediatore redox superficiale, facilitando reazioni interne altrimenti lente.
La batteria risultante ha dimostrato prestazioni degne di nota. Anche in condizioni di carica ad alta velocità (carica completa in poco più di un minuto, 50 gradi Celsius), la batteria ha mantenuto metà della sua capacità iniziale rispetto a velocità di carica più lente. Il loro studio è pubblicato sulla rivista Nature.
Batterie ultra flessibili al litio-zolfo
Arriva invece dal Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), in Corea del Sud, un prototipo di batteria litio zolfo di grande superficie e alta capacità, dotata di materiali in grado di promuovere l’adsorbimento di polisolfuri di litio.
Gli scienziati hanno proposto un approccio innovativo che utilizza nanotubi di carbonio a parete singola combinato con gruppi funzionali di ossigeno (Ox-SWCNT) come impalcatura fibrosa conduttiva e interstrato funzionale, rispettivamente in catodi e separatori di zolfo.
Nella pratica il composto stabilizza l’elettrodo, che può espandersi durante la carica e la scarica, e controlla efficacemente la dissoluzione e la diffusione dei polisolfuri di litio. Di conseguenza la perdita di zolfo si riduce in maniera significativa.
Inoltre, l’elevata flessibilità dell’SWCNT e la natura idrofila del gruppo funzionale dell’ossigeno consentono la creazione di superfici uniformi e lisce durante la fabbricazione degli elettrodi, e la progettazione di batterie di grandi dimensioni e ad alta capacità. Inoltre l’approccio permette di mantenere anche un’eccellente flessibilità meccanica sotto deformazione.
Gli scienziati hanno realizzato un elettrodo spesso flessibile con dimensioni di 50×60 mm assemblando un prototipo di batteria al litio-zolfo di tipo a sacchetto da 1.000 mAh, con una densità di energia di 909 mAh/g su 50 cicli di carica-scarica. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Science.
