Le batterie al litio-zolfo possono potenzialmente immagazzinare da cinque a dieci volte più energia rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio a costi molto inferiori. Le attuali batterie agli ioni di litio utilizzano come catodo l’ossido di cobalto, un minerale costoso estratto in modi che danneggiano le persone e l’ambiente. Le batterie litio-zolfo sostituiscono l’ossido di cobalto con lo zolfo, che è abbondante ed economico e costa meno di un centesimo del prezzo del cobalto.
La ricerca condotta dai chimici dell’UCLA sulla reazione di riduzione dello zolfo nelle batterie litio-zolfo potrebbe portare a progressi cruciali in termini di capacità, velocità e durata delle batterie. Credito immagine: Kumpan Electric tramite Unsplash (licenza Unsplash gratuita)
Ma c’è un problema: le reazioni chimiche, in particolare la reazione di riduzione dello zolfo, sono molto complesse e non ben comprese, e le reazioni collaterali indesiderate potrebbero porre fine alla vita delle batterie molto prima di quella delle batterie tradizionali.
Ora, i ricercatori guidati dai chimici Xiangfeng Duan e Philippe Sautet dell’UCLA hanno decifrato i percorsi chiave di questa reazione. Questi risultati, delineati in a documento pubblicato sulla rivista Nature, aiuterà a mettere a punto la reazione per migliorare la capacità e la durata della batteria.
La reazione di riduzione dello zolfo in una batteria litio-zolfo coinvolge 16 elettroni per convertire una molecola di anello di zolfo di otto atomi in solfuro di litio in una rete di reazione catalitica con numerosi rami intrecciati e diversi prodotti intermedi chiamati polisolfuri di litio e molti altri sottoprodotti.
Poiché si tratta di una reazione così complessa, con molti percorsi che si diramano l’uno dall’altro e molti prodotti intermedi importanti per continuare la reazione, è stato difficile studiarla e ancora più difficile capire quali parti della reazione prendere di mira per migliorare le prestazioni della batteria. .
“Nonostante i grandi sforzi dedicati a migliorare le prestazioni apparenti delle batterie al litio-zolfo, il meccanismo di reazione fondamentale rimane instabile”, ha affermato Duan, autore corrispondente e Professore di chimica e biochimica dell’UCLA. “Il ramo principale di questa rete di reazione per la reazione di riduzione dello zolfo rimane un argomento di notevole dibattito”.
Un problema di particolare interesse è una reazione collaterale in cui gli intermedi polisolfuro migrano, chiamata navetta, verso l’anodo di litio metallico e reagiscono con esso, consumando sia zolfo che litio e portando a perdita di energia e capacità di stoccaggio rapidamente ridotta. Una chiara identificazione degli intermedi chiave e una migliore comprensione di come questi intermedi vengono prodotti o consumati aiuterebbero gli scienziati a controllare questa migrazione tra gli elettrodi e a ridurre al minimo lo spreco di zolfo e litio.
Il nuovo studio decifra per la prima volta l’intera rete di reazione, determina il percorso molecolare dominante e svela il ruolo critico dell’elettrocatalisi nel modificare la cinetica della reazione.
Il team ha utilizzato innanzitutto calcoli teorici per mappare tutti i possibili percorsi di reazione e gli intermedi associati, quindi analisi elettrochimiche e spettroscopiche per convalidare i risultati computazionali.
Le prestazioni della batteria sono state dominate da Li2S4 come intermedio principale e la catalisi si è rivelata cruciale per la conversione completa del Li2S4 al prodotto di scarico finale (Li2S). Elettrodi a base di carbonio drogati con zolfo e azoto possono facilitare efficacemente questa conversione.
Il loro studio ha anche scoperto che l’intermedio Li2S6 non partecipa direttamente al processo elettrochimico ma è presente come prodotto principale delle reazioni chimiche collaterali e contribuisce in modo significativo all’effetto di spostamento indesiderato del polisolfuro.
“Il nostro studio fornisce una comprensione fondamentale della reazione di riduzione dello zolfo nelle batterie litio-zolfo e dimostra che un materiale per elettrodi catalitici adeguatamente progettato può accelerare le reazioni di carica e scarica, mitigare le reazioni collaterali e migliorare la durata del ciclo”, ha affermato Duan, che in December è stato scelto come borsista per il 2023 dal Accademia Nazionale degli Inventori.
“La combinazione della tecnologia delle batterie e della scienza della catalisi apre nuove strade per dispositivi di conversione dell’energia veloci e ad alta capacità”, ha affermato Sautet, che è Levi James Knight, Jr. Term Chair for Excellence.
Questo lavoro è stato supportato dal Center for Synthetic Control Across Length-scales for Advancing Recommendations, un centro di ricerca Energy Frontier finanziato dal programma Basic Energy Sciences del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Fonte: UCLA
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