Batterie al litio-solfuro con poco elettrolita: identificate le aree problematiche
Utilizzando un metodo non distruttivo, un team dell'HZB ha studiato per la prima volta le batterie al litio-solfuro in un pratico formato di celle a sacchetto, che utilizzano un liquido elettrolitico particolarmente ridotto. Utilizzando la tomografia neutronica operando, è stato possibile visualizzare in tempo reale come l'elettrolita liquido si distribuisce su diversi strati e bagna gli elettrodi durante la carica e la scarica. Questi risultati forniscono preziose indicazioni sui meccanismi che possono portare al fallimento della batteria e sono utili per lo sviluppo di batterie Li-S compatte ad alta densità energetica.
Le batterie al litio-solfuro (batterie Li-S) sono considerate una delle tecnologie più interessanti per le batterie di prossima generazione. Le batterie Li-S possono raggiungere densità energetiche gravimetriche estremamente elevate (ad esempio, oltre 700 Wh/kg rispetto ai circa 250 Wh/kg delle batterie agli ioni di litio più avanzate attualmente disponibili), rendendole particolarmente interessanti per applicazioni nel settore aerospaziale, nella robotica e nei veicoli elettrici a lungo raggio. Inoltre, lo zolfo, elemento abbondantemente disponibile, offre un'alternativa convincente a metalli critici e sensibili dal punto di vista geopolitico come il cobalto e il nichel, utilizzati nelle batterie agli ioni di litio.
Tuttavia, la densità energetica pratica è limitata dall'elevata percentuale di peso dei materiali inattivi come l'elettrolita. Per aumentare la densità energetica delle batterie al litio-solfuro a livello di cella, è quindi necessario ridurre la quantità di elettrolita. Tuttavia, meno elettrolita c'è nella cella della batteria, più è difficile bagnare completamente gli elettrodi. Tuttavia, una bagnatura incompleta interrompe i processi elettrochimici e porta a un invecchiamento più rapido o addirittura al fallimento della batteria. "È fondamentale il modo in cui l'elettrolita bagna gli elettrodi, penetra nei loro pori e si distribuisce nelle celle Li-S. Tuttavia, a causa della struttura chiusa delle batterie, è estremamente difficile osservare questo aspetto in modo non distruttivo", afferma il chimico dell'HZB, Prof. Dr. Yan Lu, che ha guidato lo studio.
Per osservare la bagnatura dinamica delle batterie durante la carica e la scarica nei sistemi di batterie Li-S, il team di Yan Lu ha utilizzato un metodo non distruttivo, la tomografia neutronica. A tal fine, il team ha prima prodotto celle Li-S multistrato a sacchetto con elettrolita ridotto in conformità con i parametri rilevanti per l'industria. Il dott. Ingo Manke e il dott. Nikolay Kardjilov del gruppo di imaging dell'HZB hanno esaminato questi campioni con i neutroni presso l'Institut Laue-Langevin di Grenoble per localizzare con la massima precisione elementi leggeri come il litio e l'idrogeno.
"Questo ci ha permesso di osservare per la prima volta in tempo reale come si comporta l'elettrolita liquido e come cambia localmente nel tempo l'umidificazione nei vari strati di una pouch cell. Ne abbiamo ricavato alcuni spunti interessanti", afferma Yan Lu.
Durante la fase di riposo della batteria a tensione di circuito aperto, le aree non bagnate si accumulano in zone localizzate, soprattutto all'inizio. La fase di riposo migliora inizialmente la bagnatura, ma una lunga fase di riposo ha solo un'influenza minima sulla bagnatura complessiva.
I processi di scarica/carica migliorano significativamente l'omogeneità dell'elettrolita e quindi promuovono l'attivazione elettrochimica dello zolfo, aumentando la capacità delle batterie. Per la prima volta, il team ha osservato processi periodici nella bagnatura dell'elettrolita, correlati alla dissoluzione e alla precipitazione dei composti di zolfo. "Il comportamento dinamico di bagnatura dell'elettrolita differisce in modo significativo da quello delle batterie agli ioni di litio convenzionali, a causa della particolare chimica dei sistemi Li-S", afferma il dottor Liqiang Lu, ricercatore post-dottorato nel team di Yan Lu e primo autore della pubblicazione.
"Questo è un importante contributo alla comprensione dei meccanismi che portano al rapido invecchiamento e al guasto di tali sistemi. Queste scoperte contribuiranno ad aumentare la densità energetica delle batterie Li-S preservandone la durata", afferma Yan Lu.
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Pubblicazione originale
Liqiang Lu, Nikolay Kardjilov, Xiangqi Meng, Kang Dong, Yaolin Xu, Qingping Wu, Alessandro Tengattini, Lukas Helfen, Jin Yang, Yan Guo, Moritz Exner, Ingo Manke, Yan Lu; "Visualising the dynamic wetting and redistribution of electrolyte in lean-electrolyte lithium-sulphur pouch cells via operando neutron imaging"; Advanced Energy Materials (2025).
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