Più di 1.000 km di autonomia effettiva: questa batteria al litio e zolfo utilizza cloro per raggiungere 477 Wh/kg

Sono già passati più di 15 anni da quando si parla di una chimica per batterie ad alto potenziale, quelle a litio e zolfo, da tempo considerate una delle alternative più promettenti per superare i limiti delle batterie attuali. Lo zolfo è abbondante, relativamente economico e presenta un’elevata capacità di stoccaggio per unità di massa, ma la sua applicazione pratica ha incontrato diversi problemi, soprattutto legati alla sua bassa tensione di funzionamento, alla degradazione e al movimento dei composti di zolfo all’interno della batteria.

Ora, un team di ricercatori dell’Università Vanderbilt e dell’Università del Maryland, con la collaborazione di scienziati di altre istituzioni statunitensi, ha trovato un modo diverso per sfruttare le proprietà dello zolfo. Lo studio, pubblicato su Nature Energy, modifica la reazione chimica tradizionale per permettere allo zolfo di partecipare a un processo aggiuntivo durante la carica e lo scarico.

La chiave risiede in qualcosa di semplice da spiegare ma difficile da realizzare nella pratica: far sì che ogni atomo di zolfo possa scambiare un terzo elettrone. In una batteria convenzionale a litio-zolfo, lo zolfo partecipa a una reazione che coinvolge due elettroni. I ricercatori hanno introdotto il cloro per ampliare questa reazione e portare lo zolfo in uno stato chimico diverso.

Il risultato è particolarmente notevole perché non solo aumenta la quantità di carica che lo zolfo può immagazzinare. La nuova reazione funziona inoltre a una tensione più elevata, permettendo così di migliorare simultaneamente i due fattori che determinano l’energia che una batteria può immagazzinare: la quantità di carica e la tensione a cui viene fornita.

Il terzo elettrone cambia le possibilità dello zolfo

Nelle prove effettuate dal team, la nuova chimica è riuscita ad aumentare del 58% la capacità specifica dello zolfo, mentre la tensione media di funzionamento è passata da circa 2,05 a 2,54 volt. Questa combinazione ha permesso di superare i 1.700 Wh/kg a livello dell’elettrodo, una cifra estremamente elevata per una batteria sperimentale.

La differenza rispetto a una batteria convenzionale al litio e zolfo sta nella reazione aggiuntiva che si verifica grazie al cloro. I ricercatori sono riusciti a convertire in modo reversibile il solfuro di litio in dicloruro di disolfuro attraverso un processo che coinvolge tre elettroni per atomo di zolfo, invece dei due solitamente necessari.

Questo è importante perché lo zolfo già occupa una posizione vantaggiosa rispetto ad altri materiali utilizzati negli elettrodi. La sua abbondanza e la sua elevata capacità specifica lo hanno reso oggetto di studi per anni come alternativa ai materiali attualmente impiegati nelle batterie al litio, ma finora è stato complicato sfruttare appieno il suo potenziale senza introdurre nuovi problemi.

Il team ha dovuto risolvere proprio uno di questi problemi prima di poter utilizzare il terzo elettrone in modo reversibile. Il cloro doveva reagire con lo zolfo durante la carica, ma senza che il composto risultante potesse spostarsi all’interno della batteria e finire per reagire con l’elettrodo di litio metallico.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni molecolari che hanno permesso di studiare il comportamento degli ioni di litio e cloruro in diversi elettroliti. Sulla base di tali risultati hanno sviluppato un elettrolita liquido ionico ricco di cloruro, in grado di mantenere il cloruro disponibile per la reazione con lo zolfo.

Hanno inoltre scelto una composizione in cui il prodotto generato dalla reazione tra lo zolfo e il cloro non si scioglie facilmente. In questo modo rimane all’interno dell’elettrodo positivo e può reagire nuovamente durante la scarica, rendendo possibile il processo reversibile.

I test effettuati con diverse tecniche di spettroscopia hanno permesso di confermare che lo zolfo attraversa effettivamente in modo ripetuto quel nuovo stato chimico durante i processi di carica e scarica. Non si tratta quindi soltanto di una stima teorica su ciò che lo zolfo potrebbe fare, bensì di una reazione che i ricercatori sono riusciti a osservare e ripetere in laboratorio.

Tuttavia esiste una differenza significativa tra il valore spettacolare di 1.700 Wh/kg e ciò che potrebbe raggiungere una batteria completa. Quel valore corrisponde al livello dell’elettrodo e non rappresenta la densità energetica di un pacchetto pronto per essere installato in un’auto elettrica. Quando i ricercatori tengono conto degli altri componenti necessari per costruire una batteria funzionante, la stima diminuisce notevolmente.

Nello specifico, il team calcola che questa tecnologia potrebbe raggiungere 477 Wh/kg a livello dell’intera batteria, circa il 37% in più rispetto al sistema convenzionale a litio e zolfo utilizzato come riferimento nello studio. Anche questo valore rimane una stima basata su un progetto sperimentale e non una batteria commerciale che possa essere attualmente installata in un’auto.

Per verificare che la nuova chimica potesse funzionare al di là delle piccole celle solitamente utilizzate nelle prime fasi di ricerca, gli scienziati costruirono inoltre una piccola cella a strato unico di tipo “borsa”. Dopo 100 cicli di carica, manteneva il 78% della sua capacità iniziale.

Si tratta di un valore che dimostra come la reazione possa essere ripetuta, ma che evidenzia anche quanto lavoro rimanga da svolgere. La cella sperimentale utilizza un elettrodo di litio metallico, quantità ancora relativamente piccole di zolfo e una quantità di elettrolita superiore a quella desiderabile in una batteria commerciale.

Proprio lì risiede uno dei grandi ostacoli per applicare questa chimica a un’auto elettrica. Non basta ottenere un’elevata densità energetica nel materiale attivo: è necessario ridurre la quantità di elettrolita, aumentare la proporzione di materiali attivi, migliorarne la durata, controllare le reazioni secondarie e assicurarsi che l’intero sistema possa essere prodotto in modo economico su larga scala.

Tuttavia, la ricerca dimostra che lo zolfo ha ancora margini per offrire più di quanto si pensasse inizialmente. Invece di limitarsi a migliorare le batterie tradizionali al litio e allo zolfo, i ricercatori hanno modificato la reazione chimica stessa per sfruttare un elettrone in più, elevando al contempo la loro tensione di funzionamento.

Per ora, parlare di auto elettriche con batterie in grado di superare i 1.700 Wh/kg significherebbe mescolare due livelli completamente diversi di ricerca. Quel valore riguarda l’elettrodo sperimentale. Gli stessi ricercatori stimano un valore di 477 Wh/kg tenendo conto dei principali componenti del sistema, e ci sarebbero ancora numerosi ostacoli da superare prima di arrivare a una batteria commerciale.

Tuttavia, il risultato è interessante per l’automobile, poiché una batteria che riuscisse a raggiungere in pratica diversi centinaia di Wh/kg permetterebbe di utilizzare pacchi più leggeri per ottenere la stessa autonomia, oppure di aumentare notevolmente l’autonomia senza incrementare in proporzione il peso del veicolo. Questo è proprio uno dei motivi per cui le batterie al litio e zolfo sono da anni al centro della ricerca.

Lo studio pubblicato su Nature Energy dimostra che il percorso per raggiungere questo obiettivo non deve necessariamente passare soltanto dall’aggiunta di più materiale o dal miglioramento degli elettrodi tradizionali. In questo caso, la soluzione è stata quella di far partecipare lo zolfo a una reazione a tre elettroni, utilizzando cloro ed un elettrolita progettato appositamente per controllare il processo.

La tecnologia si trova ancora in una fase molto precoce e i risultati stessi del ciclo della cella di tipo “sacca” riflettono questa situazione. Tuttavia, l’esperimento apre una nuova strada nelle batterie a litio e zolfo e, soprattutto, dimostra che esistono ancora modi per estrarre più energia da un materiale così abbondante come lo zolfo.