Batteria primaria al litio-zolfo ad altissima densità di energia: basata sul cavolfiore

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14949 (2015) Citare questo articolo

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In questo lavoro sono state sviluppate le batterie primarie al litio-zolfo, come raramente riportato nelle letterature precedenti. Per massimizzare la sua densità energetica pratica, è stato progettato un nuovo catodo C/S poroso gerarchico simile a un cavolfiore, per facilitare il trasporto degli ioni di litio e l'accomodamento dello zolfo. Questo tipo di catodo potrebbe rilasciare una capacità di circa 1300 mAh g−1 (S) con un carico di zolfo di 6 ~ 14 mg cm−2 e ha mostrato un'eccellente stabilità durante un mese di test a temperatura ambiente. Di conseguenza, la batteria a pacchetto morbido Li-S assemblata ha raggiunto una densità di energia di 504 Wh kg−1 (654 Wh L−1), che è stato il valore più alto mai riportato, per quanto ne sappiamo. Questo lavoro potrebbe suscitare interesse nello sviluppo di batterie primarie Li-S, con un grande potenziale per l'applicazione pratica.

Gli sforzi per sviluppare batterie primarie ad alta densità di energia e basso costo non sono mai stati interrotti dall'invenzione delle batterie Volt nel XVIII secolo1,2. Molti dei progressi significativi furono compiuti durante il periodo 1970-90 e furono promossi dal contemporaneo sviluppo della tecnologia elettronica, dalla nuova domanda di fonti di energia portatili e dal sostegno ai programmi di miglioramento spaziale, militare e ambientale. Soprattutto negli ultimi anni sono state sviluppate numerose batterie ad alta densità di energia, come i sistemi Zn-O2, Mg-O2, Al-O2, Na-O2 e Li-O23, che erano favorevoli in un ambiente con ossigeno. Oltre a ciò, le batterie in condizioni isolate, come i sistemi Li-SO2, Li-SOCl2, Li-MnO2 e Li-CFx attualmente sviluppati, sono state sviluppate anche per applicazioni come l'oceano, lo spazio ecc.

Come mostrato nella Tabella 13,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, queste batterie primarie in fase di sviluppo hanno già raggiunto un'elevata densità di capacità specifica pratica, eccellenti prestazioni a bassa temperatura o un'elevata densità di potenza. Tuttavia sussistono ancora alcuni problemi caratteristici, come ad esempio la sicurezza insoddisfacente, l'isteresi di tensione, la notevole polarizzazione elettrochimica o il costo del materiale relativamente elevato. Oltre a ciò, gli aumenti della densità energetica delle batterie primarie si sono ridotti negli ultimi dieci anni, poiché i sistemi di batterie esistenti sono maturati e lo sviluppo di nuove batterie a energia più elevata è limitato dalla mancanza di materiali e prodotti chimici per batterie nuovi e/o non sperimentati. Pertanto, è ancora un compito auspicabile ma impegnativo sviluppare nuove batterie primarie ad alta densità di energia.

Attualmente, le batterie Li-S hanno attirato grande attenzione in tutto il mondo14,15,16,17,18,19. Questo sistema di batterie possiede un costo estremamente basso, una densità di energia specifica estremamente elevata (2600 Wh kg−1) e rispetto per l'ambiente, rendendolo uno dei più promettenti mai sviluppati20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30,31. Tuttavia, la batteria Li-S viene solitamente considerata una batteria secondaria, mentre il suo grande potenziale come batteria primaria è stato in una certa misura ignorato. In realtà, la stabilità ciclica delle batterie Li-S non è ancora soddisfacente rispetto a quelle commerciali agli ioni di litio, ma la sua capacità specifica di scarica iniziale è estremamente elevata, raggiungendo anche il valore teorico32,33, che la rende adatta per l'applicazione primaria. Inoltre, durante lo sviluppo di quelle primarie si potrebbe accumulare maggiore esperienza teorica e pratica anche per le batterie Li-S secondarie. Nel frattempo, la natura ricaricabile del sistema Li-S potrebbe renderlo più competitivo rispetto alle batterie primarie precedentemente riportate34. Attualmente, un compito molto impegnativo per lo sviluppo della batteria primaria Li-S è quello di aumentare ulteriormente la sua densità energetica pratica, per competere con altri sistemi di batterie commerciali.

Per raggiungere questo obiettivo, progettare catodi di zolfo con alto contenuto di zolfo e alto carico di zolfo (“due alti”35) è essenziale secondo la designazione pratica delle batterie36. Tuttavia, aumentare l’utilizzo dello zolfo (o del materiale attivo) è un problema impegnativo, a causa della maggiore resistenza ohmica o della polarizzazione del trasferimento di carica37. Detto questo, la struttura porosa dell'intero catodo (diverso dai soli materiali C/S) dovrebbe essere ulteriormente ottimizzata, per migliorare il trasporto degli ioni di litio, la distribuzione dello zolfo e lo stato di accomodamento26,38,39,40. Tuttavia, a causa della natura isolante delle particelle di zolfo, è necessario aggiungere una grande quantità di materiali conduttori elettronici (ad esempio carbonio) nei catodi23. Pertanto, sebbene siano stati compiuti grandi sforzi per sviluppare una composizione C/S ad alte prestazioni, i “due alti” catodi erano ancora raramente riportati. Sebbene il catodo a base di spugne di grafene S36 e CNT-S carta41 possa sopportare un carico di zolfo fino a 10 e 6 mg cm−2 separatamente, è ancora necessaria un'ulteriore innovazione tecnica per assemblarli in tipi di avvolgimento o laminazione in base a considerazioni commerciali.