Materiali catodici a base di zolfo per batterie Li-S ad alte prestazioni

Durante il funzionamento di una batteria litio-zolfo (Li-S) si assiste alla dissoluzione nell’elettrolita dei polisolfuri di litio. L’effetto di questi polisolfuri è duplice: limita fortemente l’efficienza Coulombica ed il funzionamento nel tempo della batteria a causa dell’effetto shuttle tra anodo e catodo, tuttavia permette un utilizzo più efficiente dello zolfo che allo stato solido risulta scarsamente conduttivo. Gli elettrodi di zolfo convenzionali mostrano spesso dei valori di capacità molto bassi perché la formazione dei polisolfuri avviene solamente all’interfaccia con l’elettrolita, mentre la maggior parte dello zolfo risulta inattiva. Le batterie litio-zolfo (Li-S) semi-flusso presentano come anodo il litio metallico mentre il catodo è rappresentato da una soluzione di polisolfuri di litio disciolti nell’elettrolita. Questa soluzione prende il nome di “catolita” e viene dispersa su una matrice conduttiva ad esempio carbone. In questo modo si riesce ad ottenere un materiale catodico completamente disponibile, contrariamente a quanto avviene con gli elettrodi classici in cui parte dello zolfo rimane inattivo all’interno della matrice.Le soluzioni di polisolfuri sono state proposte per due differenti impieghi nelle batterie Li-S: come additivi e come materiale attivo. Nel primo caso sono stati aggiunti polisolfuri a batterie con elettrodi convenzionali, S/carbone e Li 2 S/carbone, con lo scopo di saturare la soluzione elettrolitica inibendo in questo modo la dissoluzione dello zolfo presente negli elettrodi. Nel secondo caso le soluzioni di polisolfuri sono state utilizzate come materiale attivo in batterie che hanno come elettrodi di lavoro, dei catodi non contenenti zolfo. I risultati ottenuti sono estremamente interessanti. L’utilizzo di soluzioni di polisolfuri come materiale attivo in batterie Li-S ibride permette di ottenere delle ottime prestazioni, nettamente superiori rispetto alle Li-S con elettrodi convenzionali ed anche rispetto alle attuali Li-ione commerciali. In particolare le celle testate hanno raggiunto valori di capacità specifica di poco inferiori al valore teorico dello zolfo, accompagnati da un’elevata stabilità. I valori di capacità specifica ottenuti risultano superiori rispetto ai materiali catodici attualmente in commercio per le batterie Li-ione di un ordine di grandezza.