Batterie allo zolfo: alta densità energetica e materie prime economiche

In questi mesi abbiamo pubblicato una serie di articoli su Tweakers riguardanti le novità nel mondo delle batterie. Un profano pensa spesso che tutte le batterie necessitino delle stesse materie prime e che durino tanto in un’auto elettrica quanto in uno smartphone. Per questo spesso agli aperitivi e alle feste di compleanno si fanno affermazioni generiche, come che non ci sono abbastanza materie prime, che le batterie sono estremamente inquinanti, che le materie prime vengono estratte dalla terra da bambini schiavi e che durano solo pochi anni. . Tuttavia, ci sono così tante composizioni diverse che tali affermazioni sono sbagliate solo per questo motivo.

Queste variabili iniziano già con i requisiti. La batteria deve avere la massima densità energetica possibile, un’elevata capacità di carica, una lunga durata o costi contenuti? Preferibilmente tutti allo stesso tempo ovviamente, ma è praticamente impossibile. In articoli precedenti di questa serie, abbiamo discusso del fatto che il fosfato di ferro e litio sta rapidamente guadagnando quote di mercato rispetto ai catodi di nichel-cobalto, che il sodio è un’alternativa al litio e che l’anodo di silicio ha le migliori credenziali a breve termine per ottenere una maggiore densità. Tutte queste varianti hanno anche un minore impatto ambientale. Ancora indiscussa in questa serie, ma altrettanto promettente, una batteria a catodo di zolfo.

Più verde ed economico

Lo zolfo è una materia prima molto più semplice ed economica da estrarre rispetto a nichel, manganese e cobalto (nmc). È il sedicesimo elemento più abbondante nella crosta terrestre, rappresentando circa lo 0,03-0,06% del suo peso totale. Potrebbe non sembrare molto, ma è sicuramente più delle materie prime per i catodi NMC. Inoltre, ci sono molte meno questioni etiche associate allo zolfo e l’estrazione non dipende da un numero limitato di regioni; è disponibile praticamente ovunque nel mondo. L’estrazione dello zolfo è meno dannosa per l’ambiente e per le persone coinvolte nel processo. Data la sua ampia disponibilità, l’estrazione dello zolfo è quindi molto più semplice e meno costosa, così come quella del sodio e del silicio.

Densità di energia estremamente elevata

La cosa più interessante dello zolfo per le batterie è la sua densità energetica potenzialmente estremamente elevata. La densità energetica di una batteria è determinata dal numero di elettroni che possono essere immagazzinati e rilasciati durante la carica e la scarica e dall’intensità di corrente che si verifica. In una batteria Li-S, ogni atomo di zolfo può legare efficacemente due ioni di litio (Li+) e due elettroni, portando alla formazione di solfuro di litio (Li₂S). Questo è molto più efficiente delle tradizionali batterie agli ioni di litio, in cui ogni atomo di catodo, come il cobalto, può legare solo uno ione di litio e un elettrone. Una batteria allo zolfo richiede quindi meno materie prime per immagazzinare la stessa quantità di energia, risultando in una densità energetica molto più elevata. Con una tale batteria, i veicoli elettrici potrebbero diventare molto più leggeri e viaggiare molto più lontano.

Il potenziale teorico è rivoluzionario; la densità massima di energia non è inferiore a 2600Wh per kg, che è circa dieci volte (!) in più rispetto alle migliori batterie NMC del momento. Questo in teoria, perché in pratica non potrà mai essere pienamente utilizzato. Allo stesso tempo, un’altra variante, la batteria sodio-zolfo (Na-S), sta andando molto bene. Proprio come la batteria al sodio menzionata in precedenza, questa variante non necessita affatto di litio, ma il sodio, in combinazione con il promettente catodo di zolfo, si occupa dell’accumulo di energia. Poiché il sodio e lo zolfo sono relativamente facili da estrarre, ciò comporterebbe un tipo di batteria molto più economico, che può essere prodotto anche in tutte le parti del mondo.

In questo articolo discutiamo di entrambe le varianti, oltre alla recente ricerca e sviluppo, e ovviamente anche alle sfide.