Un passo avanti per le batterie litio-zolfo grazie al tellurio

Ad Austin un gruppo di lavoro dell’università del Texas guidato dal Professor Manthiram ricorre al semi-metallo già impiegato in pannelli solari e cellulari per smontare due problemi che rallentavano la tecnologia litio-zolfo

Tra le alternative alla tecnologia agli ioni di litio, il ricorso allo zolfo come materia prima essenziale è una delle alternative che interessano da tempo la ricerca e l’industria. Sia per realizzare batterie con catodi in zolfo, sia più recentemente con studi sulla molto più distante tecnologia che punta ad usare zolfo e ioni di calcio.

Chi lavora alle batterie litio-zolfo, come sottolinea la letteratura scientifica si è trovato a dover scavalcare due ostacoli maggiori: uno è comune alle celle agli ioni di litio, la formazione di dendriti sugli elettrodi, l’altro è peculiare di questo settore, ovvero quell’effetto shuttle caratteristico dei polisolfuri che tende a farle degradare più rapidamente nel corso del tempo.

Alla riduzione della vita utile e delle prestazioni dovute all’effetto shuttle i ricercatori avevano cercato di ovviare con l’innesto di varietà di polisolfuri nei catodi o cercando interazioni più favorevoli nella loro matrice. Finora con risultati solo interlocutori e contenendo più che risolvendo il problema.

Adesso un gruppo di ricercatori della Cockrell School of Engineering ospitata dall’università del Texas ha trovato un modo di rendere più stabile proprio uno dei componenti più ardui per chi si misura con la tecnologia delle batterie litio-zolfo, avvicinando il momento in cui potrà diventare manifattura vera e propria.

La scoperta del gruppo di lavoro dell’ateneo di Austin è stata pubblicata questa settimana dalla rivista scientifica Joule e mostra che additivando al catodo tellurio (un semi-metallo già oggi usato dall’industria della telefonia e nelle energie rinnovabili) nel sistema litio-zolfo migliorano i processi di litiazione e de-litiazione. L’interfase crea uno strato ricco di zolfo e tellurio sulla superficie del litio metallico all’anodo, con effetti positivi su performance e ciclabilità.

L’immagine mostra in alto nel riquadro a destra, l’effetto dell’additivazione di tellurio, indicato in blu, all’anodo di una cella litio-zolfo (credito immagine: Nanda et Al. Joule, 27 aprile 2020)

Lo zolfo è abbondante ed ambientalmente benigno, e senza problemi di supply chain negli Stati Uniti”, ha detto nella nota pubblicata dall’università Arumugam Manthiram, professore di ingegneria meccanica e direttore del Texas Materials Institute. “Ma ci sono sfide di progettazione e ingegnerizzazione. Abbiamo ridimensionato un problema per estendere il ciclo di vita di queste batterie”.

Il litio nel corso dei processi di carica e scarica di una batteria litio-zolfo tende a creare superfici irregolari e depositi sull’anodo in litio metallo, creando una serie di reazioni negative sia per le prestazioni che per la durata della cella.

I dendriti intrappolano una parte degli ioni di litio impedendo di trasportare tutta l’energia che la cella poteva liberare all’inizio della vita utile. Queste reazioni possono determinare corti circuiti e perfino la combustione della batteria.

Ma lo strato artificiale che contiene tellurio tende a proteggere la batteria. Perché reagisce con i polisolfuri, spiegano i ricercatori, generando politellurosolfuri solubili che migrano all’anodo formando thiotellurato di litio e tellururo di litio quali componenti stabilizzanti della locale SEI (Solid-Electrolyte Interphase).

Lo strato che si forma sulla superficie del litio gli consente di operare senza indebolire l’elettrolita, e questo rende molto più duratura la batteria”, ha dichiarato Amruth Bhargav, uno dei coautori dello studio insieme a Sanjay Nanda.

Il Professor Manthiram, da tempo uno dei più stimati esperti di batterie, ha precisato che questo metodo potrà trovare applicazione anche in batterie basate sul litio o sul sodio, oltre alla tecnologia litio-zolfo in cui è stata sviluppata originariamente. Ed i ricercatori hanno provveduto a depositare richieste di brevetti per proteggere la tecnologia.

Lo strato stabilizzante è formato da un semplice processo in situ e non richiede trattamenti preliminari costosi o complicati o procedure di rivestimento dell’anodo in litio metallo”, ha dichiarato Nanda.

Secondo il Professor Manthiram la tecnologia litio-zolfo è allo stato attuale più adatta a supportare apparati che richiedano batterie leggere e possano durare a lungo con una singola carica senza richiedere un gran numero di cicli di ricarica, come i droni. Ma hanno anche il potenziale per giocare la partita dove si cerchi una maggiore autonomia, anche nei veicoli elettrici.

Sia catodo positivo che negativo hanno capacità teoriche molto superiori a quelle delle attuali celle agli ioni di litio: l’anodo può raggiungere i ~3.800 mA g-1 e il catodo ~1.675 mA g-1, pertanto un sistema litio-zolfo potrebbe raggiungere una densità di energia di ~2.600 Wh kg-1.

Lo zolfo è una materia prima poco costosa ed ampiamente disponibile, anche come sottoprodotto del settore oil and gas, nonché ambientalmente meno impattante di alcuni materiali dei catodi delle principali batterie agli ioni di litio.

Il tellurio non è tossico ed è attualmente disponibile in molti siti, incluso in Spagna, Grecia e Cipro. Appare molto abbondante anche in Nord Africa, dove il Marocco si sta muovendo per poter sfruttare giacimenti sottomarini prospicienti le Isole Canarie.

credito foto di apertura: per gentile concessione University of Texas/Austin