Batterie al litio-zolfo: completano una carica in soli 12 minuti!

Batteria al litio-zolfo di nuova generazione completamente carica in 12 minuti

La batteria al litio-zolfo di nuova generazione è stata sviluppata per oltre 1.000 cicli. Il team di ricerca guidato dal professor Jong-sung Yu del DGIST (Presidente Kunwoo Lee) Department of Energy Science and Engineering ha creato una tecnologia innovativa per migliorare drasticamente la velocità di carica delle batterie al litio-zolfo, utilizzando un nuovo materiale in carbonio poroso drogato con azoto per affrontare il problema della bassa velocità di carica che ha ostacolato la commercializzazione delle batterie al litio-zolfo esistenti.

Vantaggi e sfide delle batterie al litio-zolfo

Da un lato, le batterie agli ioni di litio sono indispensabili per tecnologie ecosostenibili come i veicoli elettrici. Tuttavia, queste batterie presentano due grandi limitazioni: una bassa capacità di accumulo di energia e costi elevati.

D’altro canto, le batterie al litio-zolfo stanno guadagnando sempre più attenzione come opzione di nuova generazione. Questo grazie alla loro elevata densità energetica e al basso costo dello zolfo, un materiale facilmente disponibile. Nonostante questi vantaggi, la commercializzazione delle batterie al litio-zolfo è stata difficile. Il principale ostacolo è l’insufficiente utilizzo dello zolfo durante la ricarica rapida, che riduce drasticamente la capacità della batteria.

Sfide delle batterie al litio-zolfo

Uno dei problemi principali delle batterie al litio-zolfo è la formazione di polisolfuri di litio durante il processo di scarica. Questi composti tendono a migrare all’interno della batteria, degradandone le prestazioni e la vita utile. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno incorporato lo zolfo in strutture di carbonio porose. Nonostante questo approccio, non sono ancora riusciti a raggiungere livelli di prestazioni ottimali per una commercializzazione su larga scala.

Soluzioni innovative

Per superare queste sfide, il team del professor Yu ha sintetizzato un nuovo materiale di carbonio multiporoso altamente grafitico e drogato con azoto. Questo materiale è stato applicato al catodo di una batteria al litio-zolfo, riuscendo a mantenere un’elevata capacità energetica anche in condizioni di carica rapida. L’innovazione risiede nella capacità del nuovo materiale di migliorare il contatto tra zolfo ed elettrolita, rendendo la batteria più efficiente e stabile.

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Materiale di carbonio di nuova concezione

Il materiale di carbonio di nuova concezione è stato creato utilizzando un metodo di riduzione termica che coinvolge magnesio e ZIF-8, una struttura metallo-organica. Durante questo processo, ad alte temperature, il magnesio reagisce con l’azoto presente in ZIF-8. Questo rende la struttura del carbonio più stabile e robusta, creando al contempo una struttura porosa diversificata. Questa innovativa configurazione non solo consente di caricare una quantità maggiore di zolfo, ma migliora anche il contatto tra zolfo ed elettrolita, migliorando significativamente le prestazioni complessive della batteria.

Applicazione nelle batterie al litio-zolfo

La batteria al litio-zolfo sviluppata in questo studio ha utilizzato il materiale multifunzionale al carbonio, sintetizzato tramite un semplice metodo di riduzione termica assistita dal magnesio, come ospite dello zolfo. Anche in condizioni di carica rapida, con un tempo di carica completo di soli 12 minuti, la batteria ha raggiunto un’elevata capacità di 705 mAh g⁻¹, migliorando di 1,6 volte le prestazioni rispetto alle batterie convenzionali. Inoltre, il drogaggio con azoto sulla superficie del carbonio ha soppresso efficacemente la migrazione del polisolfuro di litio, consentendo alla batteria di mantenere l’82% della capacità anche dopo 1.000 cicli di carica-scarica, dimostrando un’eccellente stabilità.

Analisi microscopiche avanzate

Durante la ricerca, il team collaborativo guidato dal dott. Khalil Amine dell’Argonne National Laboratory ha eseguito analisi microscopiche avanzate. Queste analisi hanno confermato che il solfuro di litio (Li₂S) si è formato in un orientamento specifico all’interno delle strutture stratificate del nuovo materiale di carbonio. Questa scoperta ha validato il fatto che il drogaggio con azoto e la struttura porosa del carbonio hanno migliorato il carico di zolfo. Inoltre, la natura grafitica del carbonio ha accelerato le reazioni dello zolfo, migliorando così la velocità di carica.

Implicazioni future

Il professor Jong-sung Yu ha osservato che la ricerca si è concentrata sul miglioramento della velocità di carica delle batterie al litio-zolfo utilizzando un semplice metodo di sintesi che coinvolge il magnesio. Secondo Yu, l’obiettivo è che questo studio acceleri la commercializzazione delle batterie al litio-zolfo, rendendole una scelta praticabile per le tecnologie ecosostenibili del futuro.

Il programma di supporto per ricercatori di mezza età della National Research Foundation of Korea ha supportato questa ricerca. I risultati, ottenuti in collaborazione con l’Argonne National Laboratory e condotti principalmente da Jung-hoon Yu, studente di dottorato di ricerca integrato, e Byung-jun Lee, Ph.D., sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista ACS Nano. Questa collaborazione internazionale ha permesso di raggiungere traguardi significativi nel campo delle batterie al litio-zolfo, dimostrando l’importanza della cooperazione tra istituti di ricerca di eccellenza.

Fonte dell’articolo: www.eurekalert.org

Redazione

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