Ricerca potrebbe portare a nuove batterie commercialmente valide
TL;DR: Recenti progressi nella tecnologia delle batterie al litio-zolfo sono stati segnalati da due team di ricerca indipendenti, ciascuno affrontando sfide chiave nella commercializzazione di questi dispositivi di accumulo energetico. Un team si è concentrato sul miglioramento del materiale del catodo, mentre l’altro ha sviluppato un elettrolita solido innovativo.
Nel primo studio, un team guidato dal Professor Jong-sung Yu del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dell’Energia del DGIST ha sviluppato un materiale di carbonio poroso drogato con azoto per aumentare la velocità di carica delle batterie al litio-zolfo. Questo materiale, sintetizzato utilizzando un metodo di riduzione termica assistita dal magnesio, funge da ospite per lo zolfo nel catodo della batteria. La batteria risultante ha mostrato prestazioni notevoli, raggiungendo una alta capacità di 705 mAh g⁻¹ anche quando completamente carica in soli 12 minuti.
La struttura di carbonio, formata dalla reazione del magnesio con l’azoto in ZIF-8 ad alte temperature, ha permesso un maggiore caricamento di zolfo e migliorato il contatto con l’elettrolita. Questo progresso ha portato a un aumento della capacità del 1,6 volte rispetto alle batterie convenzionali in condizioni di ricarica rapida. Inoltre, il doping con azoto ha efficacemente soppresso la migrazione del polisolfuro di litio, permettendo alla batteria di mantenere l’82 percento della sua capacità dopo 1.000 cicli di carica-scarica.
La collaborazione con il Laboratorio Nazionale di Argonne ha rivelato che il solfuro di litio si forma in un’orientazione specifica all’interno delle strutture stratificate del materiale di carbonio. Questo risultato ha confermato i benefici del doping con azoto e della struttura di carbonio poroso nell’aumentare il caricamento di zolfo e nell’accelerare la velocità di reazione.
Un altro studio, condotto da ricercatori cinesi e tedeschi, ha introdotto un elettrolita solido progettato per affrontare la lenta reazione chimica tra ioni di litio e zolfo elementare. Questo elettrolita innovativo è un materiale simile al vetro composto da boro, zolfo, litio, fosforo e iodio.
La caratteristica distintiva di questo studio è l’inclusione dello iodio nell’elettrolita. Grazie alle sue capacità di scambio elettronico rapido, lo iodio agisce come intermediario nel trasferimento di elettroni allo zolfo, accelerando notevolmente le reazioni agli elettrodi. I ricercatori propongono che la mobilità dello iodio all’interno dell’elettrolita possa consentirgli di funzionare come una navetta elettronica.
I risultati delle prestazioni sono stati altrettanto impressionanti. Quando la batteria è stata caricata a un tasso estremamente veloce – ottenendo una carica completa in poco più di un minuto – ha mantenuto metà della capacità di una carica 25 volte più lentamente. A un tasso di carica intermedio, la batteria ha mantenuto oltre l’80 percento della sua capacità iniziale dopo più di 25.000 cicli di carica-scarica. Questo livello di durata supera di gran lunga quello delle batterie agli ioni di litio convenzionali, che tipicamente sperimentano un degrado simile della capacità dopo solo circa 1.000 cicli.
Insieme, questi avanzamenti avvicinano le batterie al litio-zolfo a un’implementazione pratica. Il lavoro del team DGIST dimostra la promessa dei materiali avanzati per il catodo in scenari di ricarica rapida, mentre la collaborazione cino-tedesca evidenzia il potenziale trasformativo degli elettroliti solidi nel migliorare la longevità e la velocità di carica della batteria.
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Nicola Costanzo esplora il mondo della tecnologia e dell’innovazione. I suoi articoli illuminano le sfide digitali che plasmano il nostro futuro.