Descrizione del progetto
La ricerca potrebbe portare a migliori progettazioni di batterie litio-zolfo
Le batterie al litio-zolfo sembrano essere i successori ideali di quelle convenzionali agli ioni di litio, in quanto potenzialmente più economiche e in grado di conservare più energia rispetto al peso. Tuttavia, le densità energetiche raggiunte ancora non corrispondono alle previsioni teorizzate. La difficoltà nel caricare sufficienti quantitativi di zolfo nel catodo di carbone poroso limita la capacità di sviluppare pienamente il loro potenziale elettrochimico. Il progetto NanoEvolution, finanziato dall’UE, si concentrerà sugli aspetti ancora non chiari, indagando sulle proprietà di trasporto di massa e di carica delle batterie al litio-zolfo e rivelando maggiori informazioni sui meccanismi di reazione elettrochimica, in particolare sulla riduzione dello zolfo in più passaggi. La modellizzazione e il lavoro sperimentale aiuteranno a comprendere meglio la cinetica e la morfologia della deposizione litio-zolfo negli elettrodi di carbone su scale di lunghezza senza precedenti.
Obiettivo
Lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered a strategic candidate to achieve both significantly higher energy storage and better sustainability than current Lithium-ion batteries. They operate by converting sulfur into lithium sulfide and back on discharge/charge. However, practically achieved energies are far from theoretical values due to difficulties to load sulfur in high areal and volume density in the porous carbon cathode and to fully use it electrochemically. Current experimental techniques are strong in aspects, but fail to combine the required coverage of length scales ranging from sub-nanometers to micrometers in the crucial real-time in situ fashion.
NanoEvolution aims to i) identify nanoscale structure-transport-performance correlations, ii) understand capacity limitations and reaction mechanisms, and iii) derive design criteria for improved Li-S battery performance. To achieve these goals, structure-sensitive in situ scattering and imaging methods during electrochemically operating custom-built in situ Li-S cells will be implemented. Specifically, in situ small and wide angle X-ray scattering (SWAXS) will be established and synergistically combined with nanoscale phase evolution modelling for data analysis. In situ nanoscale X-ray tomography will be realized to achieve continuous structural sensitivity from (sub-)nanometer (SWAXS) to sub-micrometer scales (tomography).
The novel combination of modelling and structure-sensitive in situ experiments allows real-time detection of the Li2S/sulfur morphology and location within the nanoporous carbon electrode during charge and discharge, at length scales so far not accessible to other methods. This allows to determine the final cause for capacity limitation (mass transport vs. charge transport), ii) elucidate the nature of the multiple-step sulfur reduction (oxidation) reaction, and iii) derive design criteria for improved sulfur loading, capacity utilization, and power densities.
Campo scientifico
Programma(i)
Argomento(i)
Meccanismo di finanziamento
MSCA-IF - Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF)Coordinatore
8092 Zuerich
Svizzera