Ricarica in 12 minuti con una nuova batteria litio-zolfo
Ricercatori del DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, Corea del Sud) hanno sviluppato una batteria litio-zolfo innovativa: si ricarica 12 minuti e ha una vita utile di oltre 1000 cicli. La nuova tecnologia promette di superare le limitazioni delle attuali batterie agli ioni di litio (Li-ion), in particolare in termini di velocità di ricarica e densità energetica.
Questo risultato è stato ottenuto grazie a un nuovo materiale a base di carbonio poroso drogato con azoto. Esso risolve i problemi di carica lenta e degradazione tipici delle batterie litio-zolfo. La nuova batteria mostra un’elevata capacità di accumulo di energia e, fondamentale, di stabilità grazie alla struttura porosa del carbonio e alla soppressione della migrazione di polisolfuri di litio.
La ricerca, pubblicata su ACS Nano, apre la strada alla commercializzazione di batterie litio-zolfo più efficienti ed economiche. La sintesi del materiale si basa su un metodo di riduzione termica semplice ed efficiente. La collaborazione con l’Argonne National Laboratory (Illinois, Stati Uniti) ha confermato l’efficacia della tecnologia attraverso analisi microscopiche avanzate.
Superare le limitazioni delle batterie agli ioni di litio
Le batterie Li-ion (agli ioni di litio) sono cruciali per le tecnologie eco-compatibili, come i veicoli elettrici, ma hanno una capacità di accumulo energetico limitata e costi di produzione elevati. Le batterie Li-S emergono come un’alternativa promettente grazie alla loro maggiore densità energetica e beneficiando dell’accessibilità economica dello zolfo come materiale chiave.
Uno degli ostacoli nelle batterie Li-S è stato finora un’efficiente utilizzazione dello zolfo durante la ricarica rapida che porta a una riduzione della capacità della batteria. Un altro problema è la migrazione dei polisolfuri di litio, composti che si formano durante la scarica e che degradano la performance della batteria.
Struttura reticolare e azoto rendono possibile una ricarica in 12 minuti
Il team di ricercatori ha sviluppato un nuovo materiale di carbonio multiporoso altamente grafitico drogato con azoto e lo ha applicato al catodo di una batteria Li-S. Questo materiale è stato sintetizzato mediante un metodo di riduzione termica che utilizza magnesio e ZIF-8, un cosiddetto MOF, metal-organic framework. Si tratta di materiali cristallini con i quali si possono generare strutture tridimensionali reticolari ad alta porosità.
Il magnesio reagisce con l’azoto nel ZIF-8 a temperature elevate rendendo la struttura del carbonio più stabile e robusta, creando allo stesso tempo una struttura porosa diversificata. Questa struttura grafitica consente un maggiore carico di zolfo e migliora il contatto tra zolfo ed elettrolita, incrementando significativamente le prestazioni della batteria.
La batteria Li-S sviluppata ha raggiunto una capacità 1,6 volte superiore rispetto alle batterie convenzionali e si ricarica completamente in soli 12 minuti.
La batteria conserva l’82% della sua capacità anche dopo 1.000 cicli di carica-scarica, dimostrando un’eccellente stabilità.
Verso una ricarica rapida e più efficiente delle auto elettriche
Analisi avanzate al microscopio hanno confermato la formazione di solfuro di litio (Li₂S) con un’orientazione specifica all’interno della struttura stratificata del materiale di carbonio. Queste analisi convalidano che il drogaggio con azoto e la struttura porosa del carbonio hanno effettivamente aumentato il carico di zolfo, mentre la natura grafitica ha accelerato le reazioni dello zolfo migliorando la velocità di ricarica.
La ricerca presenta un significativo passo avanti nello sviluppo di batterie litio-zolfo con prestazioni superiori rispetto alle attuali tecnologie Li-ion. Il nuovo materiale a base di carbonio, insieme al processo di sintesi con magnesio e ZIF-8, sembra risolvere alcune delle principali limitazioni delle batterie Li-S aprendo la strada alla loro commercializzazione per applicazioni che richiedono ricarica rapida e alta densità energetica, come i veicoli elettrici.
La ricerca Tailoring-Orientated Deposition of Li2S for Extreme Fast-Charging Lithium–Sulfur Batteries è stata pubblicata su ACS Nano.
