Nanotechnology Now - Comunicato stampa: Un percorso precedentemente sconosciuto verso batterie ad alta energia, basso costo e lunga durata: il meccanismo di reazione appena scoperto supera il rapido calo delle prestazioni delle batterie al litio-zolfo

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Diversi percorsi di reazione dal polisolfuro di litio (Li₂S₆) al solfuro di litio (Li₂S) nelle batterie litio-zolfo con (a sinistra) e senza (a destra) catalizzatore nel catodo di zolfo. CREDITO
(Immagine del Laboratorio Nazionale Argonne.)

Abstract:
Gli scienziati scoprono un percorso sorprendente verso batterie litio-zolfo migliori visualizzando le reazioni su scala atomica.

Percorso precedentemente sconosciuto verso batterie ad alta energia, basso costo e lunga durata: il meccanismo di reazione recentemente scoperto supera il rapido calo delle prestazioni nelle batterie al litio-zolfo

Lemont, Illinois | Pubblicato l'8 settembre 2023

Il percorso che porta dalla scoperta del laboratorio alla tecnologia pratica può essere lungo e accidentato. Un esempio è la batteria al litio-zolfo. Presenta notevoli vantaggi rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio che alimentano i veicoli. Ma non ha ancora intaccato il mercato nonostante l’intenso sviluppo durato molti anni.

Questa situazione potrebbe cambiare in futuro grazie agli sforzi degli scienziati dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). Negli ultimi dieci anni hanno fatto diverse scoperte cruciali relative alle batterie al litio-zolfo. La loro ultima rivelazione, pubblicata su Nature, sblocca un meccanismo di reazione precedentemente sconosciuto che risolve un grave problema: la brevissima durata delle batterie.

Gui-Liang Xu, chimico della divisione Scienze chimiche e ingegneria di Argonne, lo ha affermato "Gli sforzi del nostro team potrebbero avvicinare gli Stati Uniti a un panorama dei trasporti più verde e sostenibile".

Le batterie al litio-zolfo offrono tre vantaggi significativi rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. In primo luogo, possono immagazzinare da due a tre volte più energia in un dato volume, con conseguente autonomia del veicolo più lunga. In secondo luogo, il loro costo inferiore, facilitato dall’abbondanza e dall’accessibilità economica dello zolfo, li rende economicamente sostenibili. Infine, queste batterie non fanno affidamento su risorse critiche come il cobalto e il nichel, che potrebbero subire carenze in futuro.

Nonostante questi vantaggi, la transizione dal successo di laboratorio alla fattibilità commerciale si è rivelata difficile. Le celle di laboratorio hanno mostrato risultati promettenti, ma quando vengono ingrandite fino alle dimensioni commerciali, le loro prestazioni diminuiscono rapidamente con cariche e scariche ripetute.

La causa di questo calo delle prestazioni risiede nella dissoluzione dello zolfo dal catodo durante la scarica, che porta alla formazione di polisolfuri di litio solubili (Li2S6). Questi composti fluiscono nell'elettrodo negativo (anodo) del litio metallico durante la carica, aggravando ulteriormente il problema. Di conseguenza, la perdita di zolfo dal catodo e le alterazioni nella composizione dell'anodo ostacolano significativamente le prestazioni della batteria durante il ciclo.

In un recente studio precedente, gli scienziati di Argonne hanno sviluppato un materiale catalitico che, aggiunto in una piccola quantità al catodo di zolfo, ha sostanzialmente eliminato il problema della perdita di zolfo. Anche se questo catalizzatore si è mostrato promettente sia nelle celle di laboratorio che in quelle di dimensioni commerciali, il suo meccanismo di funzionamento su scala atomica è rimasto fino ad ora un enigma.

La ricerca più recente del team ha fatto luce su questo meccanismo. In assenza del catalizzatore, i polisolfuri di litio si formano sulla superficie del catodo e subiscono una serie di reazioni, convertendo infine il catodo in solfuro di litio (Li2S).

"Ma la presenza di una piccola quantità di catalizzatore nel catodo fa la differenza", ha detto Xu. "Segue un percorso di reazione molto diverso, privo di fasi di reazione intermedie. "

La chiave è la formazione di dense bolle su scala nanometrica di polisolfuri di litio sulla superficie del catodo, che non compaiono senza il catalizzatore. Questi polisolfuri di litio si diffondono rapidamente in tutta la struttura del catodo durante la scarica e si trasformano in solfuro di litio costituito da cristalliti su scala nanometrica. Questo processo impedisce la perdita di zolfo e il calo delle prestazioni nelle celle di dimensioni commerciali.

Per sbloccare questa scatola nera attorno al meccanismo di reazione, gli scienziati hanno utilizzato tecniche di caratterizzazione all'avanguardia. Le analisi della struttura del catalizzatore con gli intensi fasci di raggi X di sincrotrone sulla linea di luce 20-BM dell'Advanced Photon Source, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science, hanno rivelato che svolge un ruolo critico nel percorso di reazione. La struttura del catalizzatore influenza la forma e la composizione del prodotto finale allo scarico, nonché dei prodotti intermedi. Con il catalizzatore, dopo la scarica completa si forma solfuro di litio nanocristallino. Senza il catalizzatore si formano invece strutture microscopiche a forma di bastoncino.

“Gli sforzi del nostro team potrebbero portare gli Stati Uniti un grande passo avanti verso un panorama dei trasporti più verde e sostenibile”. - Gui-Liang Xu, chimico della divisione di scienze chimiche e ingegneria dell'Argonne

Un'altra tecnica fondamentale, sviluppata presso l'Università di Xiamen, ha permesso al team di visualizzare l'interfaccia elettrodo-elettrolita su scala nanometrica mentre una cella di prova era in funzione. Questa tecnica recentemente inventata ha contribuito a collegare i cambiamenti su scala nanometrica al comportamento di una cellula operativa.

"Sulla base della nostra entusiasmante scoperta, faremo ulteriori ricerche per progettare catodi di zolfo ancora migliori", ha osservato Xu. "Varrebbe anche la pena di esplorare se questo meccanismo si applica ad altre batterie di prossima generazione, come quelle al sodio-zolfo."

Con questa ultima scoperta del team, il futuro delle batterie al litio-zolfo appare più luminoso, offrendo una soluzione più sostenibile ed ecologica per il settore dei trasporti.

Un articolo su questa ricerca è apparso su Nature. Oltre a Xu, gli autori includono Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun e Hong-Gang Liao.

Altre istituzioni partecipanti includono l'Università di Xiamen, l'Università di tecnologia chimica di Pechino e l'Università di Nanchino. La ricerca Argonne è stata supportata dall'Ufficio DOE per le tecnologie dei veicoli presso l'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili.

Informazioni sulla sorgente di fotoni avanzata

La Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory è una delle strutture di produzione di luce a raggi X più produttive al mondo. L'APS fornisce fasci di raggi X ad alta luminosità a una variegata comunità di ricercatori in scienza dei materiali, chimica, fisica della materia condensata, scienze della vita e dell'ambiente e ricerca applicata. Questi raggi X sono ideali per le esplorazioni di materiali e strutture biologiche; distribuzione elementale; stati chimici, magnetici, elettronici; e una vasta gamma di sistemi di ingegneria tecnologicamente importanti, dalle batterie agli spray per iniettori di carburante, che sono tutti i fondamenti del benessere economico, tecnologico e fisico della nostra nazione. Ogni anno oltre 5,000 ricercatori utilizzano l'APS per produrre oltre 2,000 pubblicazioni che descrivono in dettaglio scoperte di grande impatto e risolvono strutture proteiche biologiche più vitali rispetto agli utenti di qualsiasi altra struttura di ricerca di sorgenti luminose a raggi X. Gli scienziati e gli ingegneri di APS innovano la tecnologia che è alla base dell'avanzamento delle operazioni con acceleratori e sorgenti luminose. Ciò include i dispositivi di inserimento che producono raggi X di estrema luminosità apprezzati dai ricercatori, lenti che focalizzano i raggi X su pochi nanometri, strumentazione che massimizza il modo in cui i raggi X interagiscono con i campioni studiati e software che raccoglie e gestisce l'enorme quantità di dati risultante dalla ricerca di scoperta presso l'APS.

Questa ricerca ha utilizzato le risorse della Advanced Photon Source, una struttura per gli utenti del DOE US Office of Science gestita per il DOE Office of Science dal laboratorio nazionale Argonne con il contratto n. DE-AC02-06CH11357.

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Informazioni su DOE/Argonne National Laboratory
L'Argonne National Laboratory cerca soluzioni ai pressanti problemi nazionali nel campo della scienza e della tecnologia. Primo laboratorio nazionale della nazione, Argonne conduce ricerche scientifiche di base e applicate all'avanguardia praticamente in ogni disciplina scientifica. I ricercatori di Argonne lavorano a stretto contatto con ricercatori di centinaia di aziende, università e agenzie federali, statali e municipali per aiutarli a risolvere i loro problemi specifici, promuovere la leadership scientifica americana e preparare la nazione per un futuro migliore. Con dipendenti provenienti da più di 60 nazioni, Argonne è gestita da UChicago Argonne, LLC per l'Ufficio della Scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

L'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni visita https://energy.gov/science.

Per ulteriori informazioni, si prega di cliccare qui

Contatti:
Diana Anderson
DOE / Argonne National Laboratory

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Fonte: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392