Batterie tascabili al litio-solfuro esaminate al BESSY II
I processi di degradazione in sintesi
Un team dell'HZB e dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei materiali e dei fasci (IWS) di Dresda ha acquisito nuove conoscenze sulle celle a sacchetto al litio e zolfo presso la BAMline di BESSY II. Grazie alle analisi effettuate nel laboratorio di imaging HZB e ad altre misurazioni, è emerso un quadro nuovo e rivelatore dei processi che limitano le prestazioni e la durata di questo tipo di batteria importante per l'industria. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista "Advanced Energy Materials".
Le batterie al litio-solfuro presentano diversi vantaggi rispetto alle batterie al litio tradizionali: Utilizzano lo zolfo come materia prima abbondante, riescono a fare a meno dell'elemento critico cobalto ma anche del nichel e possono raggiungere una densità energetica specifica enormemente elevata. I prototipi di celle possono già raggiungere i 500 Wh/kg, quasi il doppio delle attuali batterie agli ioni di litio.
Tenere d'occhio i processi di degradazione
Tuttavia, le batterie al litio-zolfo sono state finora molto più sensibili ai processi di degradazione: Durante la carica e la scarica, sull'elettrodo di litio si formano polisolfuri disciolti e fasi di zolfo che riducono sempre più le prestazioni e la durata della batteria. "Con la nostra ricerca vogliamo chiarire questi processi con l'obiettivo di migliorare in modo specifico questo tipo di batterie", spiega il dottor Sebastian Risse, fisico dell'HZB, che dirige un team di analisi operativa delle batterie.
Batteria tascabile
Risse si concentra sulle cosiddette celle a sacchetto, un formato di batteria ampiamente utilizzato nell'industria. Presso l'Istituto HZB "Electrochemical Energy Storage (CE-IEES)", diretto dal Prof. Yan Lu, è stato quindi creato un laboratorio specializzato nella produzione di batterie al litio-solfuro in questo "formato tascabile". Qui è possibile produrre e analizzare un'ampia gamma di batterie al litio-zolfo tascabili. Nell'ambito del progetto BMBF "SkaLiS", coordinato da Risse, il team di Risse, insieme a un gruppo dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei materiali e dei fasci (IWS) di Dresda, ha pubblicato uno studio completo sulle celle a sacchetto al litio-zolfo sulla rivista Advanced Energy Materials.
Varietà di metodi
Le celle della batteria sono state analizzate in una configurazione sviluppata presso l'HZB utilizzando vari metodi come la spettroscopia di impedenza, la distribuzione della temperatura, la misurazione della forza e l'imaging a raggi X (sorgente di sincrotrone e di laboratorio) durante la carica e la scarica. "Per la prima volta, siamo stati in grado di osservare e documentare sia la formazione di dendriti di litio sia la dissoluzione o la formazione di cristalli di zolfo durante il funzionamento della batteria multistrato", afferma il dottor Rafael Müller, chimico dell'HZB e primo autore dello studio.
Radiografia alla linea di fascio BAM
"In particolare, la radiografia a contrasto di fase con luce di sincrotrone coerente presso la linea di fascio BAM di BESSY II ci ha permesso di seguire la morfologia del litio metallico, che è solo leggermente assorbente. Siamo stati in grado di correlare queste intuizioni con altri dati di misura per creare un quadro completo". Con l'aiuto di analisi a raggi X nel laboratorio di imaging dell'HZB, in collaborazione con il gruppo del Dr. Ingo Manke, è stato anche possibile analizzare la formazione di cristalli di zolfo fortemente assorbenti durante il funzionamento della batteria.
Prospettive: Sistemi di batterie ad alta energia
"I nostri risultati gettano un ponte tra la ricerca di base e il trasferimento tecnologico, in particolare permettono di trarre conclusioni sulla scalabilità di questa tecnologia di batteria e sull'ulteriore sviluppo di sistemi di batterie ad alta energia", afferma Risse. Tra le altre cose, il team ha dimostrato che un nuovo approccio progettuale dell'IWS di Dresda è promettente: il collettore di corrente catodica perforato e quindi significativamente più leggero non compromette le prestazioni della cella.
I risultati di questo studio contribuiranno a ottimizzare le prestazioni e la durata delle batterie al litio-zolfo, in modo che questo promettente tipo di batteria possa soddisfare i requisiti dei sistemi di accumulo di energia mobili e fissi.
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Pubblicazione originale
Rafael Müller, Tom Boenke, Susanne Dörfler, Thomas Abendroth, Paul Härtel, Holger Althues, Stefan Kaskel, Nikolay Kardjilov, Henning Markötter, Michael Sintschuk, André Hilger, Ingo Manke, Sebastian Risse; "Multimodal Operando Analysis of Lithium Sulfur Multilayer Pouch Cells: An In‐Depth Investigation on Cell Component Design and Performance"; Advanced Energy Materials, 2025-1-7
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