giovedì, 13 Agosto, 2020

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Batterie al litio-zolfo: importanti passi avanti dalla Corea

Un gruppo di scienziati sudcoreani ha sviluppato un nuovo catodo per le batterie al litio-zolfo, ottenendo prestazioni mai raggiunte in precedenza.

Le batterie al litio-zolfo promettono densità energetiche di 2500 Wh/kg, 2000 km di autonomia con una singola ricarica e prestazioni superiori a tutte le altre tipologie di batterie. Ma allora, perché fino ad oggi non ne abbiamo sentito tanto parlare?

Batterie al litio-zolfo

Le batterie ricaricabili al litio-solfo (Li-S da ora in poi) hanno densità energetiche 5 volte e una capacità teorica al catodo (di zolfo) circa 10 volte quelle delle tradizionali batterie agli ioni di litio.

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Egibe @wikipedia

Da un punto di vista elettrochimico, all’anodo avviene la dissoluzione del litio metallico con produzione di elettroni e ioni di litio in fase di scarica. La semi-reazione è:

{\displaystyle {\ce {Li <=> Li+ + e-}}}

Così come nel caso delle tradizionali batterie al litio, la reazione di equilibrio elettrodeposizione/dissoluzione (rispettivamente in fase di carica e scarica della batteria) determina la crescita della Solid Electrolyte Interphase (SEI). La formazione della SEI genera siti attivi per la nucleazione di dendriti di litio che sono responsabili della cortocircuitazione della cella.

Al catodo, invece, l’energia è immagazzinata nell’elettrodo di zolfo (S8). Durante la scarica della batteria, gli ioni di litio migrano dall’anodo al catodo e lo zolfo viene ridotto a solfuro di litio (Li2S).

{\displaystyle {\ce {S + 2Li+ + 2e- <=> Li2S}}}”></p>



<p>La semireazione di riduzione dello zolfo a Li<sub>2</sub>S è però molto complessa e coinvolge polisolfuri, intermedi di reazione, a lunghezza di catena decrescente.</p>



<figure class={\displaystyle {\ce {Li2S8->Li2S6->Li2S4->Li2S2->Li2S}}}

La tecnologia è ancora allo stadio di ricerca accademica e pochissimi sono i dispositivi in stadio di industrializzazione. Il motivo? L’effetto “shuttle“.

Effetto “shuttle”

L’effetto “shuttle” è la principale causa di degradazione per una batteria Li-S ed è anche responsabile dell’auto-scarica delle Li-S.

Come detto, durante la fase di scarica, lo zolfo al catodo si riduce a Li2S, attraversando diversi intermedi di reazione. I polisolfuri di litio Li2Sx (6<x<8) sono molto solubili negli elettrolita organici usati comunemente. Questo quindi determina una migrazione di questi ultimi, (Li2Sx), verso l’anodo dove sono ulteriormente ridotti consumando litio. La perdita di materiale attivo dall’elettrodo negativo determina una bassa efficienza coulombica e una breve vita utile della batteria. È possibile dare una stima dell’effetto “shuttle” attraverso un fattore, mostrato in seguito, che tiene conto di corrente di ricarica Ic, la costante cinetica di reazione eterogenea ks, la capacità specifica contribuente al plateau anodico qup e  la concentrazione totale totale di zolfo [Stot].

{\displaystyle fc={\frac {k_{\text{s}}q_{\text{up}}[S_{\text{tot}}]}{I_{c}}}}

Corea del Sud

I ricercatori dell’Istituto di Scienza e Tecnologia Daegu Gyeongbuk sono riusciti, però, a creare una nuova batteria Li-S con capacità di resistere a 2000 cicli di ricarica. Come ci sono riusciti?

La chiave di volta sembra essere stata l’utilizzo della silice (SiO2). La silice non è un conduttore di corrente ed è un materiale estremamente economico. La caratteristica di interesse però è la sua elevata polarità.

Batterie, veicoli, elettrici, autonomia, litio, zolfo, silice, shuttle, Energy Close-Up Engineering
https://doi.org/10.1002/aenm.201903934

La silice, arrangiata in pOMS (platelet-ordered mesoporous structure) viene utilizzata come host per il catodo a base di zolfo. In questo modo, l’elevata polarità tende ad attirare le molecole polari come gli Li2Sx, evitando quindi la loro ulteriore riduzione dovuta alla migrazione all’anodo.

I NOSTRI RISULTATI SONO SORPRENDENTI, PERCHÉ NESSUNO SI ASPETTAVA CHE LA SILICE, NON CONDUTTIVA, POTESSE ESSERE UN HOST COSÌ EFFICACE PER LO ZOLFO E SUPERARE IN PERFORMANCE LO STATO DELL’ARTE DEGLI HOST A BASE CARBONIOSA

Prof Jong-Sung Yu, Autore dello studio

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1 COMMENTO

  1. Questa notizia è vermente interessante. consentirà di avere una divulgazione del futuro parco elettrico in forma ottimale senza il patema della scarsa autonomia. Il problema sarà però la ricarica che molti la vogliono veloce che dipenderà sompre dalla potenza a monte che purtroppo non sarà mai sufficiente per tutte le ricariche veloci che occorreranno magari in regime di carica simultanea. Lo sappiamo in quanto, avendo ideato un sistema di ricarica capillare cittadina, siamo costretti a caricare in modo standard in C.A. e quindi non veloce e andremo in supporto prevalentemente alle auto da 30 a 50Kwatt che oggi stanno uscendo.

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Rosario Tolomeohttps://energycue.it
Laureato in Ingegneria Chimica. Ingegnere di processo e consulente prima, PhD Student in Industrial Engineering su veicoli elettrici e batterie ora. Autore su #EnergyCuE da Maggio 2019. Appassionato di tecnologia, scienza, Giappone, energia e sostenibilità a tutto tondo.