Negli istituti di ricerca di tutto il mondo si sta svolgendo la ricerca di batterie più leggere, più piccole, più potenti e meno costose. L’Argonne National Lab nell’Illinois è uno di questi. Uno dei suoi numerosi progetti di ricerca sta studiando i modi per realizzare batterie al litio-zolfo migliori.
Perché preoccuparsi? Perché lo zolfo è economico e abbondante (le due cose di solito vanno di pari passo). Ridurre il costo delle batterie sarà una chiave per produrre veicoli elettrici più convenienti. Possono anche immagazzinare da due a tre volte più energia in un dato spazio, il che significa una maggiore autonomia e/o pacchi batteria più piccoli che offrono la stessa autonomia delle batterie attuali.
Un altro vantaggio è che l’uso dello zolfo elimina la necessità di cobalto o nichel nelle batterie su cui facciamo affidamento oggi per alimentare i nostri veicoli elettrici e i sistemi di stoccaggio dell’energia su scala di rete. La ricerca di questi materiali ha suscitato preoccupazioni circa il costo sociale della loro estrazione. Eliminando il cobalto e il nichel dalla miscela, queste preoccupazioni scompariranno.
Allora perché le batterie al litio-zolfo non sono di uso generale? Perché funzionano bene in laboratorio, ma hanno una fastidiosa tendenza a guastarsi dopo solo pochi cicli di carica/scarica nel mondo reale. I ricercatori dell’Argonne National Lab affermano che potrebbero riuscire a risolvere questo problema. Per un certo contesto, bisogna capire che la ricerca ad Argonne va avanti da un decennio. Queste cose richiedono tempo, e il tempo è una delle cose di cui noi esseri umani abbiamo poco se speriamo di rimettere nella bottiglia il genio chiamato riscaldamento globale.
La causa di questo calo delle prestazioni risiede nella dissoluzione dello zolfo dal catodo durante la scarica, che porta alla formazione di polisolfuri di litio solubili (Li2S6). Questi composti fluiscono nell’elettrodo negativo (anodo) del litio metallico durante la carica, aggravando ulteriormente il problema. Di conseguenza, la perdita di zolfo dal catodo e le alterazioni nella composizione dell’anodo ostacolano in modo significativo le prestazioni della batteria durante il ciclo, afferma Argonne.
Recentemente gli scienziati dell’Argonne hanno sviluppato un materiale catalitico che, aggiunto in una piccola quantità al catodo di zolfo, ha sostanzialmente eliminato il problema della perdita di zolfo. Anche se questo catalizzatore si è dimostrato promettente sia nelle celle di laboratorio che in quelle di dimensioni commerciali, il modo in cui funzionava su scala atomica è rimasto un enigma, fino ad ora. Ulteriori ricerche hanno contribuito a spiegare il processo. Tali risultati sono stati pubblicati il 6 settembre sulla rivista Natura.
In assenza del catalizzatore, i polisolfuri di litio si formano sulla superficie del catodo e subiscono una serie di reazioni, convertendo infine il catodo in solfuro di litio (Li2S). “Ma la presenza di una piccola quantità di catalizzatore nel catodo fa la differenza”, ha detto . “Segue un percorso di reazione molto diverso, privo di fasi di reazione intermedie. “
La chiave è la formazione di dense bolle su scala nanometrica di polisolfuri di litio sulla superficie del catodo, che non compaiono senza il catalizzatore. Questi polisolfuri di litio si diffondono rapidamente in tutta la struttura del catodo durante la scarica e si trasformano in solfuro di litio costituito da cristalliti su scala nanometrica. Questo processo impedisce la perdita di zolfo e il calo delle prestazioni nelle celle di dimensioni commerciali.
Per ottenere le risposte di cui avevano bisogno, gli scienziati hanno utilizzato tecniche di caratterizzazione avanzate. Le analisi della struttura del catalizzatore con gli intensi fasci di raggi X di sincrotrone presso l’Advanced Photon Source, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science, hanno rivelato che svolge un ruolo critico nel percorso di reazione. La struttura del catalizzatore influenza la forma e la composizione del prodotto finale allo scarico, nonché dei prodotti intermedi. Con il catalizzatore, dopo la scarica completa si forma solfuro di litio nanocristallino. Senza il catalizzatore si formano invece strutture a forma di bastoncino su microscala.
La ricerca sul litio-zolfo è globale
Quanto tempo passerà prima che le batterie al litio-zolfo siano pronte per il debutto? Chi lo sa? Potrebbero essere mesi, anni o addirittura decenni. Una lezione importante da tutto ciò è che la ricerca non si svolge nel vuoto.
Oltre a Gui-Liang Xu, il ricercatore capo, altri includevano Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng, Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun e Hong-Gang Liao. Non ci sono molti Smith e Jones in quella lista, vero?
Oltre all’Argonne National Lab, altre istituzioni partecipanti includono l’Università di Xiamen, l’Università di tecnologia chimica di Pechino e l’Università di Nanchino. Gli ultimi tre si trovano in Cina, un paese con cui gli Stati Uniti intrattengono attualmente rapporti piuttosto gelidi. Molti americani credono che la Cina sia la nuova Russia, decisa a distruggere la nazione per poter governare il mondo con il pugno di ferro. Forse Xi Jinping è la reincarnazione di Nakita Krusciov?
La semplice verità è che la crisi di un pianeta surriscaldato non gioca favoriti e non potrebbe fregarsene di meno della politica. Sovvertirà la vita sulla Terra come la conosciamo in modi che al momento possiamo comprendere solo vagamente. Lo stoccaggio delle batterie sarà fondamentale per la necessità di elettrificare tutto con energia rinnovabile per limitare i danni derivanti dal cambiamento climatico. Per prendere in prestito una frase della Rivoluzione Americana, “Dobbiamo restare tutti insieme o saremo tutti impiccati separatamente”.
Parliamo di scienza
La lingua può rappresentare un ostacolo alla diffusione della conoscenza. C’è una leggenda metropolitana su due senatori – repubblicano e uno democratico – che hanno ascoltato una giornata di testimonianze di scienziati su un’astrusa scoperta tecnica. Alla fine, uno si è rivolto all’altro e ha detto: “Hai capito qualcosa?” Il suo collega ha risposto: “No. Nemmeno una parola.
Quanto discusso sopra ha lo scopo di rendere questa ricerca dell’Argonne National Lab accessibile a quelli di noi che non sono scienziati. L’abstract dell’articolo pubblicato in Natura è piuttosto difficile da decifrare.
Beneficiando dell’elevata densità di energia (2.600 Wh/kg) e del basso costo, le batterie al litio-zolfo (Li–S) sono considerate candidati promettenti per sistemi avanzati di accumulo dell’energia. Nonostante gli enormi sforzi volti a sopprimere l’effetto navetta di lunga data dei polisolfuri di litio, la comprensione delle reazioni interfacciali dei polisolfuri di litio su scala nanometrica rimane sfuggente. Ciò è dovuto principalmente alle limitazioni di sul posto strumenti di caratterizzazione per tracciare la conversione liquido-solido di polisolfuri di litio instabili ad alta risoluzione spazio-temporale.
C’è un urgente bisogno di comprendere i fenomeni accoppiati all’interno delle batterie Li-S, in particolare la distribuzione dinamica, l’aggregazione, la deposizione e la dissoluzione dei polisolfuri di litio. Qui, utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione elettrochimica a celle liquide in situ, abbiamo visualizzato direttamente la trasformazione dei polisolfuri di litio sulle superfici degli elettrodi su scala atomica.
In particolare, un inaspettato trasferimento di carica collettiva indotto dalla raccolta di polisolfuri di litio è stato catturato sulla superficie immobilizzata del centro attivo del nanocluster. Ha inoltre indotto una deposizione istantanea di nanocristalli di Li2S di non equilibrio dalla fase liquida densa dei polisolfuri di litio. Senza la mediazione di centri attivi, le reazioni hanno seguito un classico percorso a singola molecola, trasformando passo dopo passo i polisolfuri di litio in Li2S2 e Li2S.
Le simulazioni di dinamica molecolare hanno indicato che l’interazione elettrostatica a lungo raggio tra centri attivi e polisolfuri di litio ha promosso la formazione di una fase densa costituita da Li+ e Sn2− (2 < n ≤ 6), e il trasferimento di carica collettivo nella fase densa è stato ulteriormente verificato mediante dall’inizio simulazioni di dinamica molecolare. Il percorso di reazione interfacciale collettivo svela un nuovo meccanismo di trasformazione e approfondisce la comprensione fondamentale delle batterie Li-S.
Basti dire che le batterie al litio-zolfo con una densità di energia fino a 2.600 Wh/kg trasformerebbero lo stoccaggio delle batterie in un modo che potrebbe avere un impatto su ogni essere umano sulla Terra. Il tempo tipico per il trasferimento delle nuove tecnologie dal laboratorio alla produzione commerciale è di dieci anni, il che significa che potremmo vedere le prime automobili e i primi camion con batterie al litio-zolfo intorno al 2034, se le superpotenze globali non ci avranno ridotti tutti in mille pezzi prima di allora. .
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