Un team di ricercatori del DGIST, guidato dal professor Jong-sung Yu, ha sviluppato una batteria al litio-zolfo di nuova generazione, capace di completare una ricarica in appena 12 minuti. Questa incredibile velocità è stata ottenuta grazie a un nuovo materiale di carbonio poroso drogato con azoto, che ha permesso di migliorare la capacità energetica della batteria e garantirne un’elevata stabilità anche dopo 1.000 cicli di carica e scarica.
Questa innovazione potrebbe rivoluzionare il settore dell’accumulo energetico, avvicinando le batterie al litio-zolfo alla commercializzazione su larga scala e offrendo un’alternativa più economica ed efficiente rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.
Batterie al litio-zolfo: vantaggi e limiti tecnologici
Le batterie agli ioni di litio dominano attualmente il mercato dell’energia portatile e dei veicoli elettrici, ma presentano due problemi fondamentali: costi elevati e bassa densità energetica. Le batterie al litio-zolfo, invece, offrono un costo inferiore grazie alla disponibilità dello zolfo e una densità energetica maggiore, che potrebbe estendere significativamente l’autonomia dei dispositivi e dei veicoli elettrici.
Tuttavia, fino a oggi, la loro commercializzazione è stata limitata da alcuni ostacoli tecnici. Il principale problema riguarda il basso utilizzo dello zolfo durante la ricarica rapida, che causa un calo drastico della capacità della batteria. Inoltre, la formazione di polisolfuri di litio durante il ciclo di carica e scarica porta a perdite di materiale attivo, riducendo l’efficienza e la durata della batteria.
La nuova soluzione: un materiale di carbonio avanzato
Per superare queste limitazioni, il team del professor Yu ha sviluppato un nuovo materiale di carbonio poroso altamente grafitico e drogato con azoto, che ha dimostrato di migliorare le prestazioni della batteria al litio-zolfo in condizioni di carica rapida. Questo materiale, applicato al catodo, permette un utilizzo più efficace dello zolfo, migliorando l’interazione con l’elettrolita e riducendo la formazione dei polisolfuri dannosi.
Il nuovo materiale di carbonio è stato realizzato attraverso un processo di riduzione termica che coinvolge magnesio e ZIF-8, una struttura metallo-organica. Durante il trattamento ad alte temperature, il magnesio reagisce con l’azoto presente nello ZIF-8, migliorando la stabilità strutturale del carbonio e creando una rete di pori diversificata.
Questa struttura avanzata consente di:
- Aumentare la capacità di ritenzione dello zolfo, migliorando la densità energetica.
- Ottimizzare il contatto tra zolfo ed elettrolita, favorendo una carica più veloce ed efficiente.
- Ridurre la formazione e la migrazione dei polisolfuri di litio, allungando la vita della batteria.
Prestazioni della nuova batteria
I test condotti dal team del DGIST hanno dimostrato che questa nuova batteria al litio-zolfo è in grado di raggiungere una capacità di 705 mAh g⁻¹, con prestazioni migliorate di 1,6 volte rispetto alle batterie convenzionali.
L’aspetto più rivoluzionario è la capacità di mantenere l’82% della capacità iniziale dopo 1.000 cicli di carica e scarica, un risultato eccezionale per una batteria al litio-zolfo. Questo livello di stabilità è stato reso possibile grazie al drogaggio con azoto, che ha contribuito a prevenire la migrazione dei polisolfuri e a preservare l’integrità strutturale del catodo.
Analisi avanzate e conferme sperimentali
Per verificare l’efficacia del nuovo materiale, il team ha collaborato con il dott. Khalil Amine dell’Argonne National Laboratory, utilizzando tecniche di analisi microscopica avanzata. Gli esperimenti hanno confermato che il solfuro di litio (Li₂S) si forma in una disposizione specifica, grazie alla particolare struttura stratificata del carbonio grafitico drogato con azoto.
Questa scoperta ha dimostrato che:
- Il nuovo materiale migliora l’immagazzinamento dello zolfo.
- La struttura grafitica accelera le reazioni dello zolfo, aumentando la velocità di carica.
- La batteria mantiene alte prestazioni anche dopo molteplici cicli di ricarica.
Un passo avanti verso la commercializzazione
Secondo il professor Jong-sung Yu, l’uso di un metodo di sintesi semplice e scalabile, basato sul magnesio, potrebbe accelerare la commercializzazione delle batterie al litio-zolfo. Questo sviluppo è particolarmente importante per settori come mobilità elettrica e stoccaggio energetico, dove le batterie al litio-zolfo potrebbero sostituire le attuali batterie agli ioni di litio, offrendo una soluzione più economica, leggera e sostenibile.
Questa ricerca è stata supportata dal programma della National Research Foundation of Korea e ha coinvolto anche Jung-hoon Yu e Byung-jun Lee, il cui lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista ACS Nano. L’importanza della collaborazione internazionale tra il DGIST e l’Argonne National Laboratory ha permesso di fare un significativo passo avanti nel campo delle batterie di nuova generazione.
