Electrolyte Composition Governs Polysulfide Shuttling and Electrochemical Stability in Li/FeS₂ Batteries: Organic, Ionic Liquid, and Hybrid Electrolytes Compared

Le batterie sono i motori silenziosi del mondo moderno, che alimentano tutto, dai telefoni nelle nostre tasche alle auto elettriche sulle nostre strade. Al loro cuore risiede un compito semplice ma esigente: spostare minuscole particelle cariche, chiamate ioni, avanti e indietro tra due estremità di una cella per immagazzinare e rilasciare energia. Per decenni, gli scienziati hanno inseguito un materiale specifico, la pirite ferrosa, affinché servisse come una di queste estremità. Trovata abbondantemente in natura e spesso chiamata "l'oro degli stolti", questo minerale racchiude la promessa di immagazzinare molta più energia rispetto ai materiali utilizzati nelle batterie standard odierne, il tutto essendo economico e sicuro da produrre. Tuttavia, un problema persistente ha mantenuto questo materiale bloccato in laboratorio. Quando la batteria funziona, la pirite ferrosa si decompone in pezzi più piccoli che si dissolvono nel liquido all'interno della cella. Questi pezzi dissolti vagano poi attraverso la batteria verso l'altro lato, causando un cortocircuito chimico che spreca energia, corrode la batteria e ne uccide la capacità di mantenere una carica nel tempo.

Un team di ricercatori della Norfolk State University si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema del vagabondaggio testando diversi liquidi per vedere quale potesse mantenere i pezzi dissolti al loro posto. Sapevano che il liquido all'interno di una batteria, noto come elettrolita, agisce come un'autostrada per gli ioni ma anche come un solvente che può dissolvere gli ingredienti attivi della batteria. I liquidi convenzionali utilizzati nella maggior parte delle batterie sono molto bravi a muovere gli ioni, ma sono anche molto bravi a dissolvere i pezzi indesiderati, rendendo il problema peggiore. D'altra parte, un nuovo tipo di liquido, composto da sali che sono liquidi a temperatura ambiente, è molto scarso nel dissolvere questi pezzi, ma è così denso e pigro da rallentare le prestazioni della batteria. I ricercatori si sono chiesti se potessero mescolare questi due liquidi molto diversi tra loro per ottenere il meglio di entrambi i mondi: un fluido che muova gli ioni rapidamente ma che rifiuti di lasciare che i pezzi dannosi scappino via.

Per trovare la risposta, il team ha costruito piccole celle per batterie delle dimensioni di una moneta, utilizzando la pirite ferrosa come estremità positiva e una striscia di metallo di litio come estremità negativa. Hanno preparato tre gruppi di queste celle, ciascuna riempita con un liquido diverso. Il primo gruppo utilizzava un normale liquido organico fluido. Il secondo gruppo utilizzava il denso liquido ionico a base salina. Il terzo gruppo utilizzava una miscela personalizzata, mescolando parti uguali del sottile liquido organico e del denso liquido ionico. Prima ancora di iniziare a caricare e scaricare le batterie, hanno confermato che la pirite ferrosa nelle loro celle fosse pura e strutturalmente integra, utilizzando potenti macchine a raggi X e spettroscopia laser per garantire di partire da una base pulita.

Quando hanno iniziato a ciclare le batterie, le differenze di prestazioni sono diventate chiare. Le celle riempite con il normale liquido fluido hanno perso la capacità di mantenere una carica molto rapidamente. I pezzi dissolti di pirite ferrosa vagavano liberamente verso l'altro lato, causando un rapido degrado della batteria. Le celle riempite con il denso liquido ionico hanno mantenuto la carica meglio all'inizio perché il liquido denso intrappolava i pezzi dissolti vicino alla loro fonte, impedendo loro di vagare. Tuttavia, con il proseguire dei cicli, la natura lenta di questo liquido denso ha iniziato a ostacolare la capacità della batteria di muovere l'energia in modo efficiente, e le prestazioni alla fine sono venute meno. La miscela liquida, invece, ha raccontato una storia diversa. Le celle che utilizzavano questa miscela producevano schemi di tensione più fluidi e costanti, indicando che le reazioni chimiche all'interno stavano avvenendo in modo controllato e ordinato. La miscela riusciva a mantenere i pezzi dissolti impedendo loro di vagare lontano, pur permettendo alla batteria di muovere l'energia efficientemente.

Per capire esattamente cosa stesse accadendo all'interno, i ricercatori hanno smontato le batterie dopo alcuni cicli e hanno immerso i componenti interni in un solvente trasparente per estrarre qualsiasi materiale dissolto. Hanno poi fatto passare la luce attraverso queste soluzioni per misurare esattamente quanto fosse stata la pirite ferrosa dissolta e dove fosse finita. I risultati sono stati sorprendenti. Nelle celle con il liquido standard, quasi il venti per cento dello zolfo della pirite ferrosa si era dissolto ed era andato perduto nel sistema. Nelle celle con il denso liquido ionico, questa perdita è scesa a circa il quindici per cento. Ma nelle celle con il liquido miscelato, la perdita è stata la più bassa di tutte, poco più del tredici per cento. Ciò significava che l'approccio ibrido preveniva la perdita di quasi un terzo in più di materiale attivo rispetto al liquido standard.

Lo studio suggerisce che la miscela abbia fatto più di una semplice media delle proprietà dei due liquidi. Invece, la combinazione sembra abbia creato un ambiente unico in cui i pezzi dissolti si formavano vicino alla pirite ferrosa ma venivano efficacemente fermati dal viaggiare attraverso la batteria. Questa "localizzazione" ha mantenuto contenute le reazioni chimiche dannose, preservando la struttura della pirite ferrosa e permettendo alla batteria di ciclar più volte senza guastarsi. I ricercatori hanno scoperto che questo liquido ibrido offriva una via pratica da seguire, dimostrando che è possibile progettare un elettrolita che sia sia abbastanza veloce per alte prestazioni sia abbastanza restrittivo da fermare la corrosione interna che ha tormentato le batterie a pirite ferrosa per anni. Bilanciando questi bisogni contrastanti, il team ha dimostrato una via percorribile per realizzare batterie ad alta capacità e a lunga durata utilizzando materiali che sono abbondanti ed economici.