Fluorination of metallic lithium for high performing Li-S batteries

Lithium-Sulfur batteries are one of the most promising technologies for the future, since they have the potential to meet the increasing demand of both energy and sustainability. However they have to face some serious issues that are limiting their outcomes and currently preventing their commercialization. The aim of this work has been to improve the electrochemical performance of Li-S batteries by increasing the stability and mitigating the Shuttle Effect using a non-convectional approach based on fluorination of metallic lithium with elementary gaseous fluorine. In order to optimize the cell design, many tests have been performed using different sulfur-carbon cathode compositions and different quantities of electrolyte. Several fluorination conditions have been examined, trying to determine the best compromise between cyclability of the battery and degree of fluorination. Full cells have been electrochemically tested with charge-discharge cycles and their performance have been defined mainly in terms of capacity, Coulombic efficiency and lifespan. Then further characterization techniques such as UV-vis Spectroscopy have been used to get a better comprehension of the chemical mechanisms behind the poor cycling behavior and deterioration issues. Additionally, the analysis aimed to assess the actual effect of fluorinated lithium on batteries performance and its ability to reduce the shuttle effect.

Le batterie Litio-Zolfo sono tra le tecnologie più promettenti per il futuro, in quanto hanno il potenziale per soddisfare la crescente domanda sia in termini di energia che di sostenibilità. Tuttavia devono affrontare alcune problematiche significative che ne limitano le prestazioni e attualmente ne impediscono la commercializzazione. L'obiettivo di questo studio è stato quello di migliorare le prestazioni elettrochimiche delle batterie Li-S aumentando la loro stabilità e mitigando l’effetto shuttle utilizzando un approccio non convenzionale basato sulla fluorurazione del litio metallico con fluoro elementare allo stato gassoso. Sono stati condotti numerosi test al fine di ottimizzare il design delle celle, provando composizioni differenti del catodo zolfo-carbonio e quantità diverse di elettrolita. Varie condizioni di fluorurazione sono state esaminate, cercando di identificare il miglior compromesso tra capacità ciclica delle batterie e grado di fluorurazione. Le celle complete sono state valutate elettro-chimicamente attraverso cicli di carica-scarica e le loro prestazioni sono state analizzate principalmente in termini di capacità, efficienza coulombiana e ciclo di vita utile. Inoltre, sono state impiegate ulteriori tecniche di caratterizzazione come la Spettroscopia UV-Vis, al fine raggiungere una comprensione migliore dei meccanismi chimici alla base della scarsa ciclabilità e dei problemi di deterioramento. Infine, lo studio mirava anche a valutare il reale effetto del litio fluorurato sulle performance delle batterie e la sua capacità di ridurre l’effetto Shuttle.