Rivoluzionare lo stoccaggio dell’energia: nanocluster metallici per batterie stabili al litio-zolfo

Gli LSB utilizzano il litio come anodo e lo zolfo come catodo, ma questa combinazione pone delle sfide. Un problema significativo è l’”effetto navetta”, in cui le specie intermedie di polisolfuro di litio (LiPS) formate durante il ciclo migrano tra l’anodo e il catodo, con conseguente esaurimento della capacità, ciclo di vita ridotto e prestazioni di velocità scadenti. Altri problemi includono l’espansione del catodo di zolfo durante l’assorbimento degli ioni di litio e la formazione di specie isolanti di litio-zolfo e di dendriti di litio durante il funzionamento della batteria. Sebbene siano state impiegate varie strategie, come i compositi catodici, gli additivi elettrolitici e gli elettroliti a stato solido, per affrontare queste sfide, queste comportano compromessi e considerazioni che limitano l’ulteriore sviluppo degli LSB.

Recentemente, nanocluster metallici atomicamente precisi, aggregati di atomi metallici di dimensioni comprese tra 1 e 3 nanometri, hanno ricevuto notevole attenzione nella ricerca sui materiali, compresi gli LSB, grazie alla loro elevata progettabilità e alle strutture geometriche ed elettroniche uniche. Tuttavia, sebbene siano state suggerite molte applicazioni adatte per i nanocluster metallici, non esistono ancora esempi delle loro applicazioni pratiche. Ora, in un ultimo studio collaborativo pubblicato sulla rivista Piccolo il 25 agosto 2023, un team di ricercatori provenienti da Giappone e Cina, guidato dal professor Yuichi Negishi dell’Università delle Scienze di Tokyo (TUS), ha sfruttato la proprietà di legame superficiale e l’attività redox dei nanocluster di oro drogato con platino (Pt) (Au), Au₂₄Pt(PET)₁₈ (PET: feniletantiolato, SCH₂CH₂Ph), come elettrocatalizzatore ad alta efficienza negli LSB. Il lavoro è stato scritto in collaborazione dal professore assistente Saikat Das della TUS e dal professor Deyan He e dal professore associato junior Dequan Liu dell’Università di Lanzhou, Cina.

I ricercatori hanno preparato compositi di Au₂₄Pt(PET)₁₈ e nanofogli di grafene (G) con un’ampia area superficiale specifica, elevata porosità e rete conduttiva, utilizzandoli per sviluppare un separatore di batterie che accelera la cinetica elettrochimica nell’LSB. “Gli LSB assemblati utilizzando l’Au₂₄Pt(PET)₁₈Il separatore basato su G ha arrestato i LiPS di spostamento, ha inibito la formazione di dendriti di litio e ha migliorato l’utilizzo dello zolfo, dimostrando un’eccellente capacità e stabilità del ciclo,” sottolinea il prof. Negishi. La batteria ha mostrato un’elevata capacità specifica reversibile di 1535,4 mA hg⁻¹ per il primo ciclo a 0,2 A g⁻¹ e una capacità di velocità eccezionale di 887 mA hg⁻¹ alle 5 A.G⁻¹. Inoltre, la capacità viene mantenuta dopo 1000 cicli a 5 A g⁻¹ era 558,5 mAhg⁻¹.

Questi risultati evidenziano i vantaggi dell’utilizzo di nanocluster metallici negli LSB. Includono una migliore densità energetica, un ciclo di vita più lungo, caratteristiche di sicurezza migliorate e un impatto ambientale ridotto degli LSB, rendendoli più rispettosi dell’ambiente e competitivi con altre tecnologie di stoccaggio dell’energia.

“Gli LSB con nanocluster metallici possono trovare applicazioni nei veicoli elettrici, nell’elettronica portatile, nello stoccaggio di energia rinnovabile e in altri settori che richiedono soluzioni avanzate di stoccaggio dell’energia. Inoltre, si prevede che questo studio aprirà la strada a LSB interamente a stato solido con funzionalità più nuove ,” sottolinea il prof. Negishi. Nel prossimo futuro, la tecnologia proposta potrà portare alla realizzazione di dispositivi di accumulo dell’energia economicamente vantaggiosi e di maggiore durata. Ciò contribuirebbe a ridurre le emissioni di carbonio e a sostenere l’adozione delle energie rinnovabili, promuovendo la sostenibilità.