Environmentally friendly sulfur-based energy storage devices

Energy storage is today one of the most crucial technological sectors. The development of new batteries is driven by three keywords: cost, performances and sustainability. The next future devices must satisfy all these criteria to effectively impact on people daily life. In this paperwork the investigation of sustainable sulfur-based energy storage systems is presented. Sulfur features as low cost, Earth-abundancy and high theoretical specific capacity make such element a great candidate for the development of innovative batteries. Therefore, its implementation inside different electrochemical cells was examined. A lithium-sulfur battery was first explored. A new nanocomposite, resulting from the inverse vulcanization process, was coupled with a pure Li anode to achieve a long cyclability. The CB@Poly(S-r-DVB) cathode demonstrated a great stability, assuring a specific capacity of ≈ 335 mAh g-1 after 100 cycles. Such high gravimetric energy density (713.6 Wh Kg-1) makes this electrochemical cell applicable for example in automotive or electronics. In order to better investigate the entire potential of sulfur as active material, a novel redox flow battery (RFB) was designed and tested. A Zinc-Polysulfides RFB was assembled for the first time, showing high energetical efficiency for a high number of cycles. Different catalysts were also tested in order to achieve such performances. In addition to that, the low chemicals cost (≈ 27 USD kWh-1) and the high safety level make this device an interesting alternative for stationary energy storage applications.

Lo stoccaggio di energia è oggi uno dei settori tecnologici più cruciali. In particolare, lo sviluppo di nuove batterie è guidato da tre parole chiave: costo, prestazioni e sostenibilità. Nel prossimo futuro i dispositivi dovranno soddisfare tali criteri per impattare efficacemente sulla vita quotidiana delle persone. In questo elaborato viene presentato lo studio di sistemi di stoccaggio di energia sostenibili basati sullo zolfo. Le caratteristiche dello zolfo, come il basso costo, l’abbondanza sul pianeta e l’elevata capacità specifica teorica, rendono questo elemento un ottimo candidato per lo sviluppo di batterie innovative. La sua implementazione è stata dunque analizzata all’interno di diverse tipologie di dispositivi elettrochimici. Come primo caso è stata analizzata una batteria litio-zolfo. Un nuovo nanocomposito, ottenuto tramite il processo di vulcanizzazione inversa, è stato accoppiato con un anodo in puro Li per ottenere una lunga ciclabilità. Il catodo costituito da CB@Poly(S-r-DVB) ha dimostrato un’ottima stabilità, garantendo una capacità specifica di ≈ 335 mAh g-1 dopo 100 cicli. Tale elevata densità gravimetrica di energia (713.6 Wh Kg-1) rende questo dispositivo facilmente applicabile nei settori delle auto elettriche e dell’elettronica. Per meglio comprendere ed investigare l’intero potenziale dello zolfo come materiale attivo, è stata progettata e testata una nuova batteria ricaricabile a flusso (BRF). Per la prima volta è stata assemblata una BRF Zinco-Polisolfuri, caratterizzata da un’elevata efficienza energetica per un alto numero di cicli, le cui elevate prestazioni sono state ottenute grazie al test di diversi catalizzatori. Inoltre, l’esiguità dei costi dei reagenti (≈ 27 USD kWh-1) e la contenuta pericolosità rendono questo dispositivo un’interessante alternativa per applicazioni di stoccaggio stazionario di energia.