I ricercatori hanno fatto un passo avanti verso la realizzazione batterie allo stato solido al litio e allo zolfo una realtà pratica. Un team guidato da ingegneri dell’Università della California a San Diego ha sviluppato un nuovo materiale catodico per batterie allo stato solido al litio-zolfo che è elettricamente conduttivo e strutturalmente riparabile, caratteristiche che superano i limiti degli attuali catodi di queste batterie.
Questo nuovo materiale catodico per materiali litio-zolfo è strutturalmente guaribile e altamente conduttivo. Illustrazione di David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Natura.
Le batterie allo stato solido al litio-zolfo sono un tipo di batteria ricaricabile costituita da un elettrolita solido, un anodo in litio metallico e un catodo in zolfo. Queste batterie sono promettenti come alternativa superiore alle attuali batterie agli ioni di litio poiché offrono una maggiore densità di energia e costi inferiori. Hanno il potenziale di immagazzinare fino al doppio dell’energia per chilogrammo rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio: in altre parole, potrebbero raddoppiare l’autonomia dei veicoli elettrici senza aumentare il peso del pacco batterie. Inoltre, l’uso di materiali abbondanti e di facile reperibilità li rende una scelta economicamente fattibile e più rispettosa dell’ambiente.
Tuttavia, lo sviluppo delle batterie allo stato solido litio-zolfo è stato storicamente afflitto dalle caratteristiche intrinseche dei catodi di zolfo. Non solo lo zolfo è un cattivo conduttore di elettroni, ma i catodi di zolfo subiscono anche una significativa espansione e contrazione durante la carica e la scarica, con conseguenti danni strutturali e una diminuzione del contatto con l’elettrolita solido. Questi problemi riducono collettivamente la capacità del catodo di trasferire la carica, compromettendo le prestazioni complessive e la longevità della batteria a stato solido.
Da sinistra a destra: Jianbin Zhou, ex ricercatore post-dottorato in nanoingegneria dell’UC San Diego e co-primo autore dello studio, e Ping Liu, professore di nanoingegneria dell’UC San Diego e co-autore senior dello studio.
Per superare queste sfide, un team guidato da ricercatori dell’UC San Diego Centro per l’energia e l’energia sostenibile ha sviluppato un nuovo materiale catodico: un cristallo composto da zolfo e iodio. Inserendo molecole di iodio nella struttura cristallina dello zolfo, i ricercatori hanno aumentato drasticamente la conduttività elettrica del materiale catodico di 11 ordini di grandezza, rendendolo 100 miliardi di volte più conduttivo dei cristalli costituiti da solo zolfo.
“Siamo molto entusiasti della scoperta di questo nuovo materiale”, ha affermato il co-autore senior dello studio Ping Liu, professore di nanoingegneria e direttore del Sustainable Power and Energy Center presso l’UC di San Diego. “Il drastico aumento della conduttività elettrica dello zolfo è una sorpresa e scientificamente molto interessante”.
Inoltre, il nuovo materiale cristallino possiede un basso punto di fusione di 65 gradi Celsius (149 gradi Fahrenheit), che è inferiore alla temperatura di una tazza di caffè calda. Ciò significa che il catodo può essere facilmente rifuso dopo che la batteria è stata caricata per riparare le interfacce danneggiate dal ciclismo. Questa è una caratteristica importante per affrontare il danno cumulativo che si verifica all’interfaccia solido-solido tra il catodo e l’elettrolita durante ripetute operazioni di carica e scarica.
Il materiale del catodo guarisce sciogliendosi da una polvere marrone a un liquido rosso porpora intenso.
“Questo catodo di ioduro di zolfo presenta un concetto unico per la gestione di alcuni dei principali ostacoli alla commercializzazione delle batterie Li-S”, ha affermato il co-autore senior dello studio Shyue Ping Ong, professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering dell’UC San Diego. “Lo iodio distrugge i legami intermolecolari che tengono insieme le molecole di zolfo della giusta quantità per abbassare il suo punto di fusione nella zona Riccioli d’oro, al di sopra della temperatura ambiente ma sufficientemente basso da consentire al catodo di essere periodicamente guarito attraverso la fusione.”
“Il basso punto di fusione del nostro nuovo materiale catodico rende possibile la riparazione delle interfacce, una soluzione a lungo ricercata per queste batterie”, ha affermato il coautore dello studio Jianbin Zhou, ex ricercatore post-dottorato di nanoingegneria del gruppo di ricerca di Liu. “Questo nuovo materiale è una soluzione abilitante per le future batterie allo stato solido ad alta densità di energia”.
Per convalidare l’efficacia del nuovo materiale catodico, i ricercatori hanno costruito una batteria di prova e l’hanno sottoposta a ripetuti cicli di carica e scarica. La batteria è rimasta stabile per oltre 400 cicli mantenendo l’87% della sua capacità.
Jianbin Zhou prepara una batteria di prova.
“Questa scoperta ha il potenziale per risolvere una delle sfide più grandi legate all’introduzione delle batterie al litio-zolfo allo stato solido, aumentando notevolmente la vita utile di una batteria”, ha affermato il coautore dello studio Christopher Brooks, capo scienziato dell’Honda Research Institute USA. , Inc. “La capacità di una batteria di autoripararsi semplicemente aumentando la temperatura potrebbe estendere in modo significativo il ciclo di vita totale della batteria, creando un potenziale percorso verso l’applicazione nel mondo reale delle batterie a stato solido.”
Il team sta lavorando per far avanzare ulteriormente la tecnologia delle batterie allo stato solido al litio-zolfo migliorando la progettazione delle celle e ampliando il formato delle celle.
“Anche se resta ancora molto da fare per fornire una batteria allo stato solido valida, il nostro lavoro rappresenta un passo significativo”, ha affermato Liu. “Questo lavoro è stato reso possibile grazie alle grandi collaborazioni tra i nostri team dell’UC San Diego e i nostri partner di ricerca nei laboratori nazionali, nel mondo accademico e nell’industria.”
Fonte: UCSD
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