La struttura organica radicale porosa migliora le batterie al litio e zolfo
Miglioramento significativo della durata di vita - Combinazione di esperimenti
Annunci
Un team guidato dal Prof. Yan Lu, HZB, e dal Prof. Arne Thomas, Università Tecnica di Berlino, ha sviluppato un materiale che aumenta la capacità e la stabilità delle batterie al litio-solfuro. Il materiale si basa su polimeri che formano una struttura con pori aperti (noti come strutture organiche covalenti radical-cationiche o COF). Le reazioni catalitiche accelerate avvengono in questi pori, intrappolando saldamente i polisolfuri, che ridurrebbero la durata della batteria. Alcune delle analisi sperimentali sono state condotte presso la BAMline di BESSY II.
Le strutture a struttura cristallina costituite da polimeri organici sono una classe di materiali particolarmente interessante. Sono caratterizzate da un'elevata porosità, paragonabile a quella di una spugna, ma con pori di pochi micrometri al massimo. Questi materiali possono presentare funzionalità speciali, che li rendono interessanti per alcune applicazioni nei dispositivi di accumulo di energia elettrochimica. Ad esempio, potrebbero fungere da "ospiti" per composti di zolfo come i polisolfuri negli elettrodi delle batterie al litio-solfuro. L'idea è che i polisolfuri possano legarsi alle superfici interne dei pori delle strutture COF e reagire lì per generare nuovamente zolfo elementare. Tuttavia, questa soluzione non ha ancora funzionato correttamente.
COF di nuova concezione
Un team guidato dal Prof. Yan Lu (HZB) e dal Prof. Arne Thomas (Università Tecnica di Berlino) ha ora dimostrato un importante progresso con un materiale COF di nuova concezione. Incorporando alcuni "radicali", il team ha ottenuto un'accelerazione catalitica della reazione desiderata nei pori.
Il materiale è costituito da unità di tetrathiafulvalene ([TTF]2-+) e anioni radicali trisolfuro (S3--) collegati tramite benzotiazolo (R-TTF-+-COF). Questo migliora significativamente l'attività catalitica e la conduttività elettrica del COF. Gli elettroni spaiati svolgono un ruolo importante nei micro/mesopori dei COF", spiega Yan Lu: "Contribuiscono alla delocalizzazione degli orbitali π, facilitando il trasferimento di carica tra gli strati e migliorando così le proprietà catalitiche".
Combinazione di esperimenti
In uno studio molto complesso, il team ha chiarito il ruolo centrale dei motivi radicali nella catalizzazione delle reazioni di riduzione dello zolfo.
Per lo studio, i ricercatori hanno analizzato i materiali COF nelle celle per batterie Li-S utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare allo stato solido (ssNMR), la spettroscopia di risonanza di spin elettronico (EPR) e hanno anche eseguito la tomografia a raggi X in situ presso la BAMline di BESSY II per caratterizzare con maggiore precisione i pori interni. Hanno combinato questi risultati sperimentali con calcoli teorici per interpretare i risultati. Questo ci ha permesso di dimostrare che i cationi radicali [TTF]2-+ agiscono come centri catalitici che legano le LiPS e facilitano l'allungamento e la scissione dei legami S-S", spiega Sijia Cao, dottoranda del team di Yan Lu.
Miglioramento significativo
Il risultato è sorprendente: le prestazioni della batteria Li-S migliorano notevolmente con l'uso del nuovo materiale R-TTF-+-COF. La durata delle batterie Li-S aumenta così fino a oltre 1.500 cicli con una perdita di capacità di appena lo 0,027% per ciclo. Questa durata delle batterie Li-S non è ancora stata raggiunta con materiali COF o altri catalizzatori puramente organici. In genere, le batterie Li-S presentano meno di 1.000 cicli, secondo quanto riportato negli ultimi anni.
L'integrazione di queste strutture radicali nelle batterie al litio e zolfo è molto promettente", afferma Yan Lu. Inoltre, esiste un'ampia gamma di possibilità di ulteriore ottimizzazione. Le proprietà elettroniche dell'impalcatura e l'attività catalitica cambiano a seconda delle molecole utilizzate come radicali. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche sui COF con blocchi radicali stabili, specificamente studiati per catalizzare le reazioni di riduzione dello zolfo.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Sijia Cao, Pouya Partovi-Azar, Jin Yang, Dongjiu Xie, Timo Held, Gianluca Marcozzi, Joseph E. McPeak, Wei Zhang, Xia Zhang, Markus Osenberg, Zdravko Kochovski, Changxia Li, Daniel Sebastiani, Johannes Schmidt, Moritz Exner, Ingo Manke, Arne Thomas, Wenxi Wang, Yan Lu; "A Radical-Cationic Covalent Organic Framework to Accelerate Polysulfide Conversion for Long-Durable Lithium–Sulfur Batteries"; Journal of the American Chemical Society, Volume 147, 2025-8-19
Altre notizie dal dipartimento scienza
Le notizie più lette
Altre notizie dagli altri portali
Vedere i mondi tematici per i contenuti correlati
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!