Liberare il potenziale delle batterie al litio-zolfo
Additivi elettrolitici per migliorare l'accumulo di energia: "Le tecniche di sincrotrone offrono strumenti potenti per la caratterizzazione dei materiali delle batterie"
Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono diventate parte integrante della nostra società, dai telefoni cellulari e i computer portatili ai veicoli elettrici. Se finora le batterie agli ioni di litio hanno avuto un grande successo, gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare batterie ancora migliori, che vadano oltre le batterie agli ioni di litio, per consentire la transizione verso un mondo più elettrificato. Le batterie commerciali agli ioni di litio hanno una densità energetica inferiore rispetto a quelle alternative e si basano su sostanze relativamente costose come i composti di cobalto e nichel, che dipendono anche fortemente da catene di approvvigionamento fragili.
Rappresentazione schematica dell'esperimento di sincrotrone a raggi X utilizzato all'APS per studiare la cella della batteria Li-S nell'ambito di questa ricerca.
Image by Argonne National Laboratory/Guiliang Xu
Una delle alternative più promettenti alle batterie agli ioni di litio sono le batterie al litio e zolfo (Li-S), che presentano un anodo di litio metallico e un catodo di zolfo. Questa accoppiata di elettrodi promette una densità energetica da due a tre volte superiore e costi inferiori, utilizzando al contempo risorse abbondantemente disponibili sulla terra.
"Con un'ulteriore ottimizzazione e sviluppo degli elettrodi di zolfo, crediamo che le batterie Li-S possano raggiungere una maggiore densità energetica e migliori prestazioni complessive, che contribuiranno alla loro adozione commerciale", spiega Guiliang Xu, chimico dell'Argonne.
Tuttavia, queste batterie presentano anche delle insidie, come una breve durata di vita dovuta alla migrazione indesiderata degli ioni polisolfuro e alla distribuzione e al verificarsi di reazioni chimiche non uniformi all'interno del sistema.
Sviluppando un additivo innovativo per l'elettrolita, i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno facendo progressi nella soluzione di questi problemi che ostacolano l'adozione diffusa delle batterie Li-S.
Nelle batterie agli ioni di litio, gli ioni di litio sono immagazzinati negli spazi tra gli strati di materiale catodico e si muovono avanti e indietro tra il catodo e l'anodo durante la carica e la scarica.
Le batterie Li-S, invece, si basano su un processo diverso. In queste celle, gli ioni di litio si muovono tra il catodo e l'anodo attraverso una reazione chimica. Lo zolfo elementare del catodo viene convertito in composti polisolfurici costituiti da catene di atomi di zolfo, alcuni dei quali possono dissolversi nell'elettrolita. Questa solubilità provoca un effetto "navetta" in cui i polisolfuri si muovono avanti e indietro tra il catodo e l'anodo. Questo spostamento porta a una perdita di materiale al catodo di zolfo mentre viene depositato all'anodo, limitando la durata complessiva e le prestazioni della batteria.
Sono state proposte numerose strategie per mitigare il polisulfide shuttling e altri problemi. Una di queste strategie, l'uso di un additivo nell'elettrolita, è stata a lungo considerata incompatibile con il catodo di zolfo e altri componenti della batteria a causa della reattività chimica. Il chimico di Argonne Guiliang Xu e il suo team hanno sviluppato una nuova classe di additivi e hanno scoperto che tali additivi possono effettivamente migliorare le prestazioni della batteria. Controllando il modo in cui l'additivo reagisce con i composti di zolfo, i ricercatori possono creare una migliore interfaccia tra il catodo e l'elettrolita, necessaria per facilitare il trasporto degli ioni di litio.
"L'additivo, chiamato additivo acido di Lewis, è un sale che reagisce con i composti di polisolfuro e forma una pellicola sull'intero elettrodo", ha spiegato Xu. La chiave è una piccola reazione per formare la pellicola, senza una reazione continua che consuma il materiale e riduce la densità energetica.
L'additivo forma una pellicola sia sull'anodo che sul catodo, che sopprime l'effetto shuttle, migliora la stabilità della cella e favorisce una "autostrada" per il trasporto degli ioni attraverso l'elettrodo. Questo design dell'elettrolita riduce inoltre al minimo la dissoluzione dello zolfo e migliora l'omogeneità della reazione, consentendo l'uso di additivi precedentemente considerati incompatibili.
Per convalidare il concetto, i ricercatori hanno confrontato il loro elettrolita con l'additivo con un elettrolita convenzionale utilizzato nelle batterie Li-S. Hanno osservato una significativa riduzione dei polisomi e degli additivi. Hanno osservato una significativa riduzione della formazione di polisolfuro. Il nuovo elettrolita ha mostrato una dissoluzione molto bassa dei polisolfuri, confermata da tecniche a raggi X. Hanno inoltre monitorato il comportamento della reazione durante la carica e la scarica della batteria. Questi esperimenti hanno utilizzato l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne e la National Synchrotron Light Source II del Brookhaven National Laboratory, entrambe strutture del DOE Office of Science, che hanno confermato che il design dell'elettrolita ha ridotto al minimo la dissoluzione e la formazione di polisolfuri.
"Le tecniche di sincrotrone forniscono strumenti potenti per la caratterizzazione dei materiali delle batterie", ha dichiarato Tianyi Li, scienziato della linea di luce dell'APS. L'uso della diffrazione di raggi X, della spettroscopia di assorbimento dei raggi X e della microscopia a fluorescenza di raggi X presso l'APS ha confermato che il nuovo design dell'interfaccia attenua efficacemente i problemi noti, come il trasporto dei polisolfuri. Ancora più importante, questa interfaccia migliora il trasferimento degli ioni, contribuendo a ridurre l'eterogeneità della reazione".
Xu ha aggiunto: "Con un'ulteriore ottimizzazione e sviluppo degli elettrodi allo zolfo, crediamo che le batterie Li-S possano raggiungere una maggiore densità energetica e migliori prestazioni complessive, contribuendo alla loro adozione commerciale".
Un'altra sfida importante per le batterie Li-S è la stabilità del litio metallico, che reagisce facilmente e solleva problemi di sicurezza. Xu e il suo team stanno lavorando allo sviluppo di elettroliti migliori per stabilizzare il litio metallico e ridurre l'infiammabilità dell'elettrolita per garantire la sicurezza delle batterie Li-S.
Presso l'APS, la Beamline 20-BM è stata utilizzata per la spettroscopia di assorbimento dei raggi X per studiare la solubilità del polisolfuro. La Beamline 17-BM è stata utilizzata per la diffrazione di raggi X per analizzare l'omogeneità o l'eterogeneità dell'intera cella. La Beamline 2-ID è stata utilizzata per le immagini di fluorescenza a raggi X per confermare la solubilità del materiale dell'elettrodo e per osservare la migrazione dello zolfo negli elettroliti convenzionali.
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Pubblicazione originale
Chen Zhao, Heonjae Jeong, Inhui Hwang, Tianyi Li, Yang Wang, Jianming Bai, Luxi Li, Shiyuan Zhou, Chi Cheung Su, Wenqian Xu, Zhenzhen Yang, Manar Almazrouei, Cheng-Jun Sun, Lei Cheng, Gui-Liang Xu, Khalil Amine; "Polysulfide-incompatible additive suppresses spatial reaction heterogeneity of Li-S batteries"; Joule, Volume 8
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