Batterie tascabili al litio-zolfo esaminate al BESSY II

Un team dell'HZB e del Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (IWS) di Dresda ha acquisito nuove conoscenze sulle celle a sacchetto litio-zolfo presso la BAMline di BESSY II. Grazie alle analisi condotte nel laboratorio di imaging dell'HZB e ad altre misurazioni, emerge un quadro nuovo e illuminante dei processi che limitano le prestazioni e la durata di questo tipo di batteria di rilevanza industriale. Lo studio è pubblicato sulla rinomata rivista "Advanced Energy Materials".

Le batterie al litio-zolfo presentano diversi vantaggi rispetto alle batterie al litio convenzionali: utilizzano lo zolfo come materia prima abbondante, non necessitano di elementi critici come cobalto o nichel e possono raggiungere una densità energetica specifica estremamente elevata. Le celle prototipo raggiungono già oggi fino a 500 Wh/kg, quasi il doppio delle attuali batterie agli ioni di litio.

Tuttavia, le batterie al litio-zolfo sono attualmente molto più soggette a processi di degradazione: durante la carica e la scarica, sull'elettrodo di litio si formano polisolfuri disciolti e fasi di zolfo, che riducono sempre più le prestazioni e la durata della batteria. "Vogliamo chiarire questi processi attraverso la nostra ricerca con l'obiettivo specifico di migliorare questo tipo di batteria", afferma il fisico HZB Dr. Sebastian Risse, a capo di un team presso l'HZB per l'analisi operando delle batterie.

Si concentra sulle cosiddette celle a sacchetto, un formato di batteria ampiamente utilizzato nell'industria. Presso l'istituto HZB "Electrochemical Energy Storage (CE-IEES)", diretto dal Prof. Yan Lu, è stato allestito un laboratorio specializzato nella produzione di batterie al litio-zolfo in questo "formato tascabile". Qui è possibile produrre e testare un'ampia gamma di batterie al litio-zolfo di dimensioni tascabili. Nell'ambito del progetto BMBF "SkaLiS", coordinato da Risse, il team di Risse, insieme a un gruppo del Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (IWS) di Dresda, ha ora pubblicato uno studio completo sulle celle a sacchetto litio-zolfo sulla rivista Advanced Energy Materials .

A questo scopo, le celle della batteria sono state studiate in un'apparecchiatura sviluppata presso l'HZB utilizzando diversi metodi, quali la spettroscopia di impedenza, la distribuzione della temperatura, la misurazione della forza e l'imaging a raggi X (sincrotrone e sorgente di laboratorio) durante la carica o la scarica. "Per la prima volta siamo stati in grado di osservare e documentare sia la formazione di dendriti di litio sia la dissoluzione o la formazione di cristalliti di zolfo durante il funzionamento della batteria multistrato", afferma il dott. Rafael Müller, chimico dell'HZB e autore principale dello studio.

“ In particolare, la radiografia a contrasto di fase con luce di sincrotrone coerente presso la linea di luce BAM presso BESSY II ci ha permesso di seguire la morfologia del metallo litio debolmente assorbente. Siamo stati in grado di correlare queste informazioni con altri dati di misurazione per creare un quadro completo". Utilizzando le analisi a raggi X nel laboratorio di diagnostica per immagini dell'HZB in collaborazione con il gruppo del Dott. Ingo Manke è riuscito anche ad analizzare la formazione di cristalli di zolfo altamente assorbenti durante il funzionamento delle batterie.

"I nostri risultati creano un ponte tra la ricerca di base e il trasferimento tecnologico, in particolare consentono di trarre conclusioni sulla scalabilità di questa tecnologia delle batterie e sull'ulteriore sviluppo di sistemi di batterie ad alta energia ", afferma Risse. Tra le altre cose, il team ha dimostrato che un nuovo approccio progettuale dell'IWS Dresden è promettente: il collettore di corrente catodico perforato e quindi notevolmente più leggero non influisce sulle prestazioni della cella.

I risultati di questo studio contribuiranno a ottimizzare le prestazioni e la durata delle batterie al litio-zolfo, in modo che questo promettente tipo di batteria possa soddisfare i requisiti dei sistemi di accumulo di energia mobili e fissi.