Il problema delle batterie litio-zolfo
Arriva dalla Cina un nuovo studio in grado di aiutare una delle tecnologie di accumulo elettrochimico ritenute tra le alternative più valide agli ioni di litio. Parliamo delle batterie al litio-zolfo (Li-S). Sulla carta questi dispositivi offrono alcuni vantaggi a partire da un’energia specifica doppia rispetto a quelle delle Li-ion. Tuttavia, se si escludono alcune linee di produzione pilota, la fabbricazione su scala industriale appare ancora lontana.
Il problema principale? Fino a ieri era soprattutto l’effetto navetta dei polisolfuri di litio intermedi, nella conversione dello zolfo in solfuro di litio (Li2S) nel catodo. Una volta migliorato il processo, però, la ricerca di settore si è accorta di non aver rimosso tutti i problemi. La conversione del solfuro di litio (Li2S) in polisolfuri di litio (LiPS) durante la fase di carica rimane infatti una reazione molto difficile. Questa conversione richiede molta energia e spesso non avviene in modo ottimale, lasciando residui di Li2S sull’elettrodo.
Questi residui formano uno strato che “passiva” l’elettrodo, diminuendo la sua efficienza e, di conseguenza, le prestazioni complessive della batteria. Un problema che di fatto impedisce alle batterie Li-S di raggiungere la densità energetica e la durata necessaria per l’uso commerciale.
Imprinting molecolare per migliorare le batterie Li-S
Lo studio guidato dal Prof. Lv Wei (Tsinghua Shenzhen International Graduate School) e dal Prof. Yang Quan-Hong (Università di Tianjin, Scuola congiunta dell’Università Nazionale di Singapore e dell’Università di Tianjin) ha sviluppato una nuova tecnologia chiamata imprinting molecolare (MI) elettrochimico per migliorare le batterie al litio-zolfo (Li-S). Questa tecnologia utilizza come catalizzatori i solfuri metallici (MS) per migliorare la conversione del Solfuro di Litio (Li2S).
Ecco come funziona:
1. Creazione di difetti: Per creare difetti specifici nei solfuri metallici (MS), viene utilizzato il solfuro di litio (Li2S). In particolare i solfuri metallici subiscono un processo di litiazione/delitiazione, che prevede l’incorporazione di Li2S nel materiale e poi la sua rimozione.
2. Rimozione del Li2S: Dopo aver incorporato il Li2S, questo viene rimosso lavando il materiale con alcool. Questo lavaggio elimina il Li2S, lasciando dietro di sé dei “vacanti di zolfo”, cioè spazi vuoti nel materiale dove prima c’era il Li2S.
3. Selettività dei difetti: Questi difetti speciali, creati nei solfuri metallici, permettono al catalizzatore di legarsi selettivamente al Li2S, migliorando così la conversione dello zolfo e le prestazioni complessive della batteria.
Sviluppate batterie con una densità energetica di 502 Wh/kg
I ricercatori hanno dimostrato che il loro metodo è versatile testandolo su diversi tipi di solfuri metallici. Hanno scoperto che il catalizzatore MI-Ni3S2 presenta la migliore attività catalitica grazie al maggior numero di difetti. Hanno costruito una batteria Li-S in formato cella a sacchetto che ha funzionato stabilmente per oltre 100 cicli di carica e scarica, raggiungendo una densità energetica superiore a 300 Wh/kg. In condizioni di elettrolita estremamente basso (E/S=1,8 μL/mgS), il team ha sviluppato batterie con una densità energetica di 502 Wh/kg, ottenendo ottime prestazioni.