Un team guidato dal professor Cheong Ying Chan dell’Hong Kong University Of Science And Technology (HKUST) Energy Institute, ha proposto un nuovo concetto di design del catodo per la batteria litio-zolfo (Li-S) che migliora sostanzialmente le prestazioni di questo tipo di promettente batteria di prossima generazione. Un documento sul loro lavoro è pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology.
Il catodo è composto da nanoparticelle di ZnS uniformemente incorporate e dal catalizzatore monoatomico Co-N-C per formare siti di legame a doppia estremità all’interno di un host macroporoso altamente orientato, che può effettivamente immobilizzare e convertire cataliticamente gli intermedi di polisolfuro durante il ciclo, eliminando così l’effetto shuttle e la corrosione del litio metallico.
I macropori ordinati migliorano il trasporto ionico in condizioni di alto carico di zolfo, formando sufficienti confini trifase tra catalizzatore, supporto conduttivo ed elettrolita. Questo design impedisce la formazione di zolfo inattivo (zolfo morto).
La nostra struttura catodica mostra prestazioni migliorate in una configurazione di cella a sacchetto in condizioni di alto carico di zolfo e funzionamento con elettrolita magro. Una cella a sacchetto di livello 1-A-h con solo il 100% di eccesso di litio può fornire un’energia specifica di >300 W h kg-1 con un’efficienza Coulombica >95% per 80 cicli.
-Zhao et al.
Strategia di progettazione dell’ospite macroporoso con siti di legame a doppia estremità. Credit: HKUST
Le batterie Li-S possono potenzialmente offrire una densità energetica di oltre 500 Wh/kg, significativamente migliore delle batterie Li-ion che raggiungono il loro limite a 300 Wh/kg. La densità di energia più alta significa che l’autonomia approssimativa di 400 km (250 miglia) di un veicolo elettrico alimentato da batterie Li-ion può essere sostanzialmente estesa a 600-800 km (da 373 a 497 miglia) se alimentato da batterie Li-S.
Mentre risultati entusiasmanti sulle batterie Li-S sono stati ottenuti dai ricercatori di tutto il mondo, c’è ancora un grande divario tra la ricerca di laboratorio e la commercializzazione della tecnologia su scala industriale. Un problema chiave è l’effetto navetta del polisolfuro delle batterie Li-S che causa la perdita progressiva di materiale attivo dal catodo e la corrosione del litio, con conseguente breve ciclo di vita della batteria. Altre sfide includono la riduzione della quantità di elettrolita nella batteria pur mantenendo stabili le prestazioni della batteria.
Per affrontare questi problemi, il team del Prof. Zhao ha collaborato con ricercatori internazionali per proporre un concetto di design del catodo che potrebbe ottenere buone prestazioni della batteria Li-S.
Il loro host macroporoso altamente orientato può accogliere uniformemente lo zolfo mentre abbondanti siti attivi sono incorporati all’interno dell’host per assorbire strettamente il polisolfuro, eliminando l’effetto shuttle e la corrosione del litio metallico.
Portando un principio di progettazione per un catodo di zolfo nelle batterie Li-S, il team congiunto ha aumentato la densità di energia delle batterie e ha fatto un grande passo verso l’industrializzazione delle batterie.
Siamo ancora nel mezzo della ricerca di base in questo campo. Tuttavia, il nostro nuovo concetto di progettazione dell’elettrodo e la svolta associata nelle prestazioni rappresentano un grande passo verso l’uso pratico di una batteria di prossima generazione che è ancora più potente e più duratura delle batterie agli ioni di litio di oggi.
-Prof. Zhao
I membri del team di HKUST includono il Prof. Zhao e i suoi attuali studenti di dottorato ZHAO Chen, ZHANG Leicheng e l’ex studente di dottorato REN Yuxun (laureato 2019). Altri collaboratori includono ricercatori dell’Argonne National Laboratory e della Stanford University negli Stati Uniti, dell’Università di Xiamen nella Cina continentale e dell’Università Imam Abdulrahman Bin Faisal in Arabia Saudita.