Un team di ricercatori cinesi ha compiuto un importante passo avanti verso lo sfruttamento del pieno potenziale delle batterie litio-zolfo, una tecnologia da tempo considerata la possibile erede delle attuali celle agli ioni di litio. Un team della Northwestern Polytechnical University ha sviluppato un catodo fotosensibile in grado di utilizzare la luce solare per superare uno dei principali limiti di queste batterie, la lentezza e l’inefficienza della chimica dello zolfo.
Combinando materiali fotocatalitici con un tessuto di carbonio flessibile, la batteria sfrutta la luce per accelerare le reazioni elettrochimiche durante la carica. Il risultato è una capacità di accumulo vicina al limite teorico e la possibilità di una ricarica parziale tramite sola luce solare, una caratteristica che apre scenari interessanti per i sistemi energetici fuori rete.
La crescente scarsità di risorse e l’aumento dell’inquinamento rendono sempre più urgente lo sviluppo di tecnologie energetiche pulite e riciclabili. Le batterie litio-zolfo sono considerate molto promettenti perché possono immagazzinare molta più energia rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio. Nelle condizioni reali però le loro prestazioni restano limitate, poiché lo zolfo e i suoi composti intermedi, chiamati polisolfuri, reagiscono in modo lento e poco efficiente.
Un approccio promettente consiste nel favorire queste reazioni tramite campi fisici esterni, in particolare la luce. La fotocatalisi può accelerare la conversione dei polisolfuri e consentire alla batteria di immagazzinare direttamente una parte dell’energia solare, riducendo il fabbisogno di elettricità durante la ricarica. La difficoltà principale sta nel realizzare elettrodi fotosensibili efficienti.
Il team ha sviluppato un fotoelettrodo flessibile e autosufficiente, basato su biossido di titanio modificato con polipirrolo e drogato con azoto, cresciuto su un tessuto di carbonio. Questo sistema riduce uno dei problemi cronici delle batterie litio-zolfo, la migrazione dei polisolfuri a catena lunga che attraversano l’elettrolita e finiscono per formare solfuro di litio, un composto isolante che sottrae materiale attivo. La luce accelera queste reazioni, ma nei dispositivi tradizionali le cariche generate si ricombinano troppo velocemente per essere sfruttate in modo efficace.
Nel nuovo progetto, lo strato di polimero conduttivo e il biossido di titanio cooperano nel creare un campo elettrico interno che mantiene separate le cariche foto-generate. Questo migliora l’uso della luce visibile per innescare le reazioni redox dello zolfo, con un aumento della capacità, una maggiore stabilità ai cicli, un funzionamento ad alta potenza e la possibilità di ricarica diretta tramite luce.
Le prestazioni mostrano miglioramenti evidenti. La velocità delle reazioni dello zolfo aumenta sensibilmente, con una riduzione della pendenza di Tafel da 122 a 48 millivolt per decade, segno di un trasferimento di carica più efficiente. Anche la formazione del solfuro di litio è più rapida, con un tempo di nucleazione che scende da 3600 a 3010 secondi, accompagnato da un aumento della capacità del 17%.
La batteria può quindi raccogliere energia sia dall’elettricità sia dalla luce. L’efficienza di conversione solare-elettrica raggiunge lo 0,33%. In una dimostrazione pratica, una batteria a bottone ha alimentato un’auto giocattolo per 288 centimetri sotto illuminazione, contro 212 centimetri al buio. Dopo due ore di ricarica alla luce solare, la stessa batteria ha fornito energia sufficiente per altri 77 centimetri, confermando la funzionalità della fotoricarica diretta.
I test di durata indicano una buona stabilità, con il 61,7% della capacità iniziale ancora disponibile dopo 328 cicli a 0,5 C. Le analisi mostrano che la luce contribuisce a mantenere basse le resistenze interne e a limitare le reazioni collaterali. In prospettiva, il fotocatodo flessibile potrebbe essere prodotto su larga scala con processi roll-to-roll, aprendo la strada a veicoli elettrici alimentati dal sole e a droni ad alta quota, nei quali ogni fotone conta.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nano-Micro Letters.
