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Un nuovo design dell'elettrolito che potrebbe migliorare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio

2021-08-03

Immagine che mostra una particella di Si coperta dal SEI ricco di LiF. Credito: Chen et al.


La maggior parte delle batterie agli ioni di litio (LIB) esistenti integrano anodi di grafite, che hanno una capacità di circa 350 milliamp ore (mAh) per grammo. La capacità degli anodi di silicio è quasi 10 volte superiore a quella delle loro controparti in grafite (circa 2.800 mAh per grammo), e potrebbe quindi teoricamente consentire lo sviluppo di batterie a base di litio più compatte e leggere.

Nonostante la loro maggiore capacità, gli anodi di silicio non sono stati finora in grado di competere con gli anodi di grafite, poiché il silicio si espande e si contrae durante il funzionamento a batteria, quindi lo strato protettivo esterno degli anodi può facilmente rompersi mentre una batteria è in funzione. In un recente articolo pubblicato su Nature Energy, un team di ricercatori dell'Università del Maryland College Park e del Laboratorio di ricerca dell'esercito ha riportato un nuovo progetto di elettrolita che potrebbe superare i limiti degli anodi di silicio esistenti.
"Gli anodi di silicio e i loro strati di protezione dell'interfase elettrolitica solida (SEI) formati sono più facili da polverizzare durante il funzionamento a batteria, perché il SEI si lega fortemente al Si, quindi entrambi subiscono un grande volume di cambiamenti", Ji Chen, uno dei principali ricercatori che ha portato fuori dallo studio, ha detto a Phys.org.
Il SEI è uno strato protettivo che si forma naturalmente quando le particelle di anodo sono a diretto contatto con un elettrolita. Questo strato funge da barriera che impedisce il verificarsi di ulteriori reazioni all'interno della batteria, separando l'anodo dall'elettrolita.
"Se questo strato protettivo viene danneggiato durante l'espansione o la contrazione delle particelle dell'anodo di Si, le particelle dell'anodo appena esposte reagiscono continuamente con l'elettrolita fino a quando non si esaurisce durante il ciclo della batteria", ha detto Oleg Borodin, un chimico senior coinvolto nello studio presso l'Army Research Laboratory. Phys.org.
Per più di un decennio, gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno cercato di superare i problemi che impediscono l'uso di anodi di silicio nelle LIB, principalmente progettando SEI flessibili e organici che si espandono con gli anodi. La maggior parte delle soluzioni che hanno sviluppato, tuttavia, si sono rivelate del tutto inefficaci o leggermente efficaci, prevenendo così solo in parte il danno SEI.


"Per molto tempo, la comunità di ricerca della LIB ha cercato di escogitare tecniche per far funzionare anodi ad alta capacità come il Si", ha affermato Chunsheng Wang, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'Università di Maryland (UMD), che è anche Direttore UMD del Center for Research in Extreme batterie. "Questi ricercatori stavano principalmente lavorando a livello di materiale Si introducendo costosi processi di nanofabbricazione. Abbiamo cercato di affrontare questo problema in modo diverso progettando l'elettrolita e il corrispondente SEI per anodi ad alta capacità".

Chen, Borodin, Wang e i loro colleghi hanno progettato un elettrolita in grado di migliorare le prestazioni degli anodi di silicio microdimensionati nei LIB, prevenendo danni alla loro barriera protettiva esterna. Rispetto alle soluzioni proposte in precedenza, il loro approccio riduce sostanzialmente al minimo la degradazione dell'elettrolita, consentendo così un ciclo della batteria molto più lungo prima che perda la sua capacità.

L'obiettivo finale dello studio dei ricercatori era identificare una soluzione universale e immediata che potesse facilitare lo sviluppo di anodi ad alta capacità per batterie a base di litio. Per raggiungere questo obiettivo, hanno progettato elettroliti utilizzando LiPF6, un sale all'avanguardia e una miscela di solventi eterei, formando uno strato protettivo SEI ricco di LiF molto robusto.

"La speciale struttura di solvatazione (interazione tra il sale e il solvente) e l'ampio divario tra la tendenza alla riduzione del sale e del solvente promuovono la formazione di un SEI unico ricco di LiF su Si che è super utile per ciclare l'alta capacità Si anodi", ha spiegato Oleg. "L'elettrolita che abbiamo progettato fornisce una soluzione drop-in per l'attuale tecnologia LIB senza richiedere costose elaborazioni, pur mantenendo un'elevata stabilità del ciclo e un'efficienza Coulombica (CE) senza precedenti".

Il recente studio di Chen, Borodin, Wang e dei loro colleghi dimostra che ottenere un buon ciclo e un CE elevato nei LIB contenenti anodi di silicio è, infatti, possibile, e che può essere ottenuto semplicemente sostituendo l'elettrolita all'interno di una batteria, che in precedenza era considerato impraticabile o del tutto impraticabile. Il principio alla base del design dell'elettrolita potrebbe anche essere applicato teoricamente a tutti gli anodi in lega ad alta capacità. In futuro, questo progetto potrebbe consentire la creazione di batterie al litio con prestazioni migliori che contengono anodi basati su materiali diversi dalla grafite.

"I nostri risultati indicano una nuova direzione per la progettazione degli elettroliti e potrebbero dare ai team di ricerca di tutto il mondo fiducia nell'applicazione di materiali anodici ad alta capacità nelle LIB", ha affermato Wang. "I nostri prossimi passi saranno migliorare la finestra di tensione dell'elettrolita e provare a concedere in licenza la tecnologia.