Batterie in stato solido Na-S a base di FeS2 : impatto della microstruttura dell'elettrodo positivo e di additivi sulle performance delle batterie

Pyrite-based sodium-sulfur (Na-S) solid-state batteries (SSBs) are considered as the next generation of sustainable energy storage systems because of the use of highly abundant materials, the expected high energy and power densities, and the improved capacity. However, until now FeS2-based Na-S solid state batteries have not received much attention because of the difficulty in finding suitable solid electrolytes (SEs). Furthermore, research on Na solid-state batteries is in its early stages. Driven by the advantages of using both FeS2 and Na in solid state battery, this work focuses on the investigation of an all-solid-state cell setup with a composite cathode made of FeS2 (cathode active material), Na3PS4, and carbon black, Na3PS4 as the separator, and a sodium tin alloy as the anode. In particular, the positive electrode microstructure and the effect of an additive (NaI) were examined using electrochemical and analytical methods, such as galvanostatic charge-discharge (GCD) and scanning electron microscopy (SEM). Our results show that smaller particle size within the composites is key for allowing active material utilization and achieving high capacities. Although the redox-mediating effect of NaI remains unclear, studies performed on Li-S systems suggest that iodine is effective in enhancing fast charging capabilities for solid-state batteries. For this reason, further investigation on the topic is needed.

Le batterie allo stato solido (SSB) al sodio-zolfo (Na-S) a base di pirite sono considerate la prossima generazione di sistemi di accumulo di energia sostenibile grazie all'uso di materiali altamente abbondanti, alle elevate densità energetiche e di potenza previste e alla maggiore capacità. Tuttavia, fino ad ora le batterie allo stato solido Na-S a base di FeS2 non hanno ricevuto molta attenzione a causa della difficoltà di trovare elettroliti solidi (SE) adeguati. Inoltre, la ricerca sulle batterie allo stato solido Na è ancora in una fase iniziale. Spinta dai vantaggi dell'utilizzo sia di FeS2 che di Na nelle batterie allo stato solido, questa ricerca si concentra sullo studio di una configurazione di cella interamente allo stato solido con un catodo composito costituito da FeS2 (materiale attivo del catodo), Na3PS4 e nerofumo, Na3PS4 come separatore e una lega di sodio e stagno come anodo. In particolare, la microstruttura dell'elettrodo positivo e l'effetto di un additivo (NaI) sono stati esaminati utilizzando metodi elettrochimici e analitici, come la carica-scarica galvanostatica (GCD) e la microscopia elettronica a scansione (SEM). I nostri risultati mostrano che una dimensione delle particelle più piccola all'interno dei compositi è fondamentale per consentire l'utilizzo del materiale attivo e ottenere capacità elevate. Sebbene l'effetto di mediazione redox del NaI rimanga poco chiaro, gli studi condotti sui sistemi Li-S suggeriscono che lo iodio è efficace nel migliorare le capacità di ricarica rapida delle batterie allo stato solido. Per questo motivo, sono necessarie ulteriori ricerche sull'argomento.