Nuovo risultato degno di nota per i tempi di ricarica delle batterie litio zolfo. Un gruppo di scienziati internazionali provenienti dall’Argonne National Laboratory (USA) e dal Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology- DGIST (Corea del Sud), ha creato un’unità Li-S in grado di caricarsi/scaricarsi in soli 12 minuti. E sebbene non si tratti del record mondiale in questo campo – il primato va ai 5 minuti raggiunti dalla batteria dell’Università di Adelaide – vale la pena approfondire i progressi raggiunti.
I problemi delle batterie litio zolfo
Questa tecnologia di accumulo ha da sempre sofferto di un problema non da poco: la bassa velocità di carica-scarica. Le attualità unità, infatti, richiedono in genere diverse ore (da 1 fino a 10 ore in alcuni casi) per un ciclo completo. Al cuore della questione c’è la reazione di riduzione dello zolfo che avviene nella fase di scarica. Si tratta di un processo in più passi in cui lo zolfo solido reagisce con gli ioni di litio e si trasforma in polisolfuri di litio solubili, che successivamente continuano a reagire con altri ioni di litio. Fino ad una reazione liquido-solido che forma disolfuro di litio (Li2S2) e solfuro di litio (Li2S).
I polisolfuri di litio possono migrare all’interno della cella, riducendo progressivamente il materiale attivo del catodo e degradando le prestazioni. Mentre la precipitazione del Li2S è da tempo riconosciuta come la fase che determina la velocità di queste ricaricabili, e può compromettere drasticamente l’utilizzo dello zolfo a velocità di carica elevate.
Un nuovo materiale poroso per il catodo
Per risolvere queste sfide, il professor Jong-sung Yu del DGIST ha messo mano al catodo. Nel dettaglio ha sintetizzato un nuovo materiale di carbonio multiporoso e lo ha applicato all’elettrodo.
Il materiale è stato creato impiegando un metodo di riduzione termica che coinvolge magnesio e ZIF-8, una struttura metallo-organica. Ad alte temperature, il magnesio reagisce con l’azoto nello ZIF-8, rendendo la struttura di carbonio più stabile e robusta. E creando al contempo un’architettura porosa altamente diversificata. Quest’ultima non solo consente un carico di zolfo più elevato, ma migliora anche il contatto tra zolfo ed elettrolita, ottimizzando significativamente le prestazioni della batteria.
Nel dettaglio il design riduce efficacemente la resistenza interfacciale e garantisce un sequestro efficiente dei polisolfuri durante la deposizione, portando alla crescita di Li2S nanocristallino tra strati grafiticidi.
“Il nostro approccio indirizza un percorso alternativo di deposizione di Li2S verso la modalità di crescita laterale e ispessimento 3D comunemente segnalata, migliorando la passivazione dell’elettrodo”. Si legge nell’abstract dell’articolo pubblicato su ACS Nano (testo in inglese).
La batteria al litio-zolfo sviluppata impiegando il nuovo materiale multifunzionale al carbonio ha mostrato un tempo di carica completa di soli 12 minuti, raggiungendo un’elevata capacità di 705 mAh/g, Si tratta spiega il team del DGIST di un miglioramento di 1,6 volte rispetto alle batterie convenzionali. Ciliegina sulla torta: l’unità di test ha mantenuto l’82% della capacità anche dopo 1.000 cicli di carica-scarica, dimostrando un’eccellente stabilità.
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