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Il nuovo design del catodo migliora significativamente le prestazioni della batteria di nuova generazione

2021-06-16
TEMI:
Tecnologia della batteria, energia, nanotecnologia
Di HONG KONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 26 DICEMBRE 2020



Una soluzione all-in-one per la strategia di progettazione di host macroporosi con siti di legame a doppia estremità. Attestazione: HKUST

Un team guidato da Cheong Ying Chan, professore di ingegneria e ambiente, il prof. ZHAO Tianshou, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e direttore dell'HKUST Energy Institute, ha proposto un nuovo concetto di design del catodo per la batteria al litio-zolfo (Li-S). che migliora sostanzialmente le prestazioni di questo tipo di promettente batteria di nuova generazione.

Le batterie Li-S sono considerate un'alternativa interessante alle batterie agli ioni di litio (Li-ion) comunemente utilizzate negli smartphone, nei veicoli elettrici e nei droni. Sono noti per la loro elevata densità di energia mentre il loro componente principale, lo zolfo, è abbondante, leggero, economico e rispettoso dell'ambiente.

Le batterie Li-S possono potenzialmente offrire una densità energetica di oltre 500 Wh/kg, significativamente migliore delle batterie agli ioni di litio che raggiungono il limite a 300 Wh/kg. La maggiore densità di energia significa che l'autonomia di circa 400 km di un veicolo elettrico alimentato da batterie agli ioni di litio può essere sostanzialmente estesa a 600-800 km se alimentato da batterie Li-S.

Sebbene i ricercatori di tutto il mondo abbiano ottenuto risultati entusiasmanti sulle batterie Li-S, esiste ancora un grande divario tra la ricerca di laboratorio e la commercializzazione della tecnologia su scala industriale. Un problema chiave è l'effetto navetta del polisolfuro delle batterie Li-S che causa la progressiva perdita di materiale attivo dal catodo e la corrosione del litio, con conseguente breve ciclo di vita della batteria. Altre sfide includono la riduzione della quantità di elettrolito nella batteria pur mantenendo prestazioni stabili della batteria.

Per affrontare questi problemi, il team del Prof. Zhao ha collaborato con ricercatori internazionali per proporre un concetto di design del catodo che potesse ottenere buone prestazioni della batteria Li-S.

L'ospite macroporoso altamente orientato può ospitare uniformemente lo zolfo mentre abbondanti siti attivi sono incorporati all'interno dell'ospite per assorbire strettamente il polisolfuro, eliminando l'effetto navetta e la corrosione del metallo di litio. Presentando un principio di progettazione per il catodo di zolfo nelle batterie Li-S, il team congiunto ha aumentato la densità energetica delle batterie e ha fatto un grande passo avanti verso l'industrializzazione delle batterie.

"Siamo ancora nel bel mezzo della ricerca di base in questo campo", ha affermato il prof. Zhao. "Tuttavia, il nostro nuovo concetto di progettazione degli elettrodi e la relativa svolta nelle prestazioni rappresentano un grande passo avanti verso l'uso pratico di una batteria di nuova generazione che è ancora più potente e più duratura delle attuali batterie agli ioni di litio". €

Il loro lavoro di ricerca è stato recentemente pubblicato su Nature Nanotechnology.

Riferimento: "Una cella a sacchetto di zolfo ad alta energia e ciclo lungo tramite un catodo catalitico macroporoso con siti di legame a doppia estremità" di Chen Zhao, Gui-Liang Xu, Zhou Yu, Leicheng Zhang, Inhui Hwang, Yu-Xue Mo, Yuxun Ren, Lei Cheng, Cheng-Jun Sun, Yang Ren, Xiaobing Zuo, Jun-Tao Li, Shi-Gang Sun, Khalil Amine e Tianshou Zhao, 3 dicembre 2020, Nanotecnologia naturale.
DOI: 10.1038/s41565-020-00829-5

I membri del team di HKUST includono il Prof. Zhao e i suoi attuali dottorandi ZHAO Chen, ZHANG Leicheng e l'ex dottorando REN Yuxun (laureato nel 2019). Altri collaboratori includono ricercatori dell'Argonne National Laboratory e della Stanford University negli Stati Uniti, dell'Università di Xiamen nella Cina continentale e dell'Università dell'Imam Abdulrahman Bin Faisal in Arabia Saudita.