Costruire batterie più potenti possibile con un nuovo design dell'elettrodo

Una nuova ricerca potrebbe portare a batterie che possono imballare più potenza per libbra e durare più a lungo, sulla base dell'obiettivo a lungo ricercato di utilizzare il litio metallico puro come uno dei due elettrodi della batteria, l'anodo.

Il nuovo concetto di elettrodo proviene dal laboratorio di Ju Li, il Battelle Energy Alliance Professor of Nuclear Science and Engineering e professore di scienza e ingegneria dei materiali. È descritto nella rivista Nature, in un documento di cui sono coautori Yuming Chen e Ziqiang Wang del MIT, insieme ad altri 11 del MIT e di Hong Kong, Florida e Texas.

Il progetto fa parte di un concetto per lo sviluppo di batterie sicure a stato solido, senza il gel liquido o polimerico usato di solito come materiale elettrolitico tra i due elettrodi della batteria. Un elettrolita permette agli ioni di litio di viaggiare avanti e indietro durante i cicli di carica e scarica della batteria, e una versione completamente solida potrebbe essere più sicura degli elettroliti liquidi, che hanno un'alta volatilità e sono stati la fonte di esplosioni nelle batterie al litio, ha riportato Phys.

"C'è stato molto lavoro sulle batterie allo stato solido, con elettrodi di litio metallico ed elettroliti solidi", dice Li, ma questi sforzi hanno affrontato una serie di problemi.

Uno dei maggiori problemi è che quando la batteria viene caricata, gli atomi si accumulano all'interno del metallo di litio, facendolo espandere. Il metallo poi si restringe di nuovo durante la scarica, quando la batteria viene utilizzata. Questi ripetuti cambiamenti nelle dimensioni del metallo, un po' come il processo di inspirazione ed espirazione, rendono difficile per i solidi mantenere un contatto costante e tendono a causare la rottura o il distacco dell'elettrolita solido.

Un altro problema è che nessuno degli elettroliti solidi proposti è veramente chimicamente stabile mentre è in contatto con il metallo litio altamente reattivo, e tende a degradarsi nel tempo.

La maggior parte dei tentativi di superare questi problemi si sono concentrati sulla progettazione di materiali elettrolitici solidi che sono assolutamente stabili contro il metallo di litio, il che risulta essere difficile. Invece, Li e il suo team hanno adottato un design insolito che utilizza due ulteriori classi di solidi, "conduttori misti ionico-elettronici" (MIEC) e "isolanti di elettroni e ioni di litio" (ELI), che sono assolutamente chimicamente stabili a contatto con il metallo di litio.

I ricercatori hanno sviluppato una nanoarchitettura tridimensionale sotto forma di una matrice a nido d'ape di tubi esagonali MIEC, parzialmente infusa con il litio metallico solido per formare un elettrodo della batteria, ma con spazio extra lasciato all'interno di ogni tubo. Quando il litio si espande nel processo di carica, scorre nello spazio vuoto all'interno dei tubi, muovendosi come un liquido anche se mantiene la sua struttura cristallina solida. Questo flusso, interamente confinato all'interno della struttura a nido d'ape, allevia la pressione dell'espansione causata dalla carica, ma senza modificare le dimensioni esterne dell'elettrodo o il confine tra l'elettrodo e l'elettrolita. L'altro materiale, l'ELI, serve come legante meccanico cruciale tra le pareti del MIEC e lo strato di elettrolita solido.

"Abbiamo progettato questa struttura che ci dà elettrodi tridimensionali, come un nido d'ape", dice Li. Gli spazi vuoti in ogni tubo della struttura permettono al litio di "strisciare all'indietro" nei tubi, "e in questo modo, non accumula stress per rompere l'elettrolita solido". Il litio che si espande e si contrae all'interno di questi tubi si muove dentro e fuori, un po' come i pistoni di un motore d'auto nei loro cilindri. Poiché queste strutture sono costruite su scala nanometrica (i tubi hanno un diametro da 100 a 300 nanometri e decine di micron di altezza), il risultato è come "un motore con 10 miliardi di pistoni, con il litio metallico come fluido di lavoro", dice Li.

Poiché le pareti di queste strutture a nido d'ape sono fatte di MIEC chimicamente stabile, il litio non perde mai il contatto elettrico con il materiale, dice Li. Così, l'intera batteria solida può rimanere meccanicamente e chimicamente stabile mentre passa attraverso i suoi cicli di utilizzo. Il team ha dimostrato sperimentalmente il concetto, mettendo un dispositivo di prova attraverso 100 cicli di carica e scarica senza produrre alcuna frattura dei solidi.

Li dice che anche se molti altri gruppi stanno lavorando su ciò che chiamano batterie solide, la maggior parte di quei sistemi in realtà funzionano meglio con qualche elettrolita liquido mescolato con il materiale elettrolitico solido. "Ma nel nostro caso", dice, "è veramente tutto solido. Non c'è nessun tipo di liquido o gel".

Il nuovo sistema potrebbe portare ad anodi sicuri che pesano solo un quarto delle loro controparti convenzionali nelle batterie agli ioni di litio, per la stessa quantità di capacità di stoccaggio. Se combinato con nuovi concetti per versioni leggere dell'altro elettrodo, il catodo, questo lavoro potrebbe portare a riduzioni sostanziali del peso complessivo delle batterie agli ioni di litio. Per esempio, il team spera che potrebbe portare a telefoni cellulari che potrebbero essere caricati solo una volta ogni tre giorni, senza rendere i telefoni più pesanti o ingombranti.

Un nuovo concetto per un catodo più leggero è stato descritto da un altro team guidato da Li, in un documento apparso il mese scorso sulla rivista Nature Energy, di cui sono coautori il postdoc del MIT Zhi Zhu e lo studente laureato Daiwei Yu. Il materiale ridurrebbe l'uso di nichel e cobalto, che sono costosi e tossici, utilizzati nei catodi attuali. Il nuovo catodo non si basa solo sul contributo di capacità di questi metalli di transizione nel ciclo della batteria. Invece, si baserebbe maggiormente sulla capacità redox dell'ossigeno, che è molto più leggero e abbondante. Ma in questo processo gli ioni di ossigeno diventano più mobili, il che può causare la loro fuga dalle particelle del catodo. I ricercatori hanno usato un trattamento superficiale ad alta temperatura con sale fuso per produrre uno strato superficiale protettivo sulle particelle di ossido di metallo ricco di manganese e litio, così la quantità di perdita di ossigeno è drasticamente ridotta.

Anche se lo strato superficiale è molto sottile, appena 5-20 nanometri di spessore su una particella larga 400 nanometri, fornisce una buona protezione per il materiale sottostante. "È quasi come un'immunizzazione", dice Li, contro gli effetti distruttivi della perdita di ossigeno nelle batterie usate a temperatura ambiente. Le versioni attuali forniscono almeno un 50 per cento di miglioramento nella quantità di energia che può essere immagazzinata per un dato peso, con una stabilità ciclistica molto migliore.

Il team ha costruito solo dispositivi su piccola scala finora, ma "mi aspetto che questo possa essere scalato molto rapidamente", dice Li. I materiali necessari, per lo più manganese, sono significativamente più economici del nichel o del cobalto utilizzati da altri sistemi, quindi questi catodi potrebbero costare anche solo un quinto rispetto alle versioni convenzionali.

Autore: Tasnim Notizie

Credito immagine: Pixabay

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