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Il nuovo design degli elettrodi può portare a batterie più potenti

2021-11-03




Un team del MIT ha ideato un anodo metallico al litio che potrebbe migliorare la longevità e la densità di energia delle future batterie.

 

Una nuova ricerca degli ingegneri del MIT e altrove potrebbe portare a batterie in grado di accumulare più potenza per libbra e durare più a lungo, sulla base dell'obiettivo a lungo ricercato di utilizzare puro litio metallico come uno dei due elettrodi della batteria, l'anodo.

 

Il nuovo concetto di elettrodo proviene dal laboratorio di Ju Li, il professore di scienze e ingegneria nucleare di Battelle Energy Alliance e professore di scienza e ingegneria dei materiali. È descritto oggi sulla rivista Nature, in un articolo scritto da Yuming Chen e Ziqiang Wang al MIT, insieme ad altri 11 al MIT e a Hong Kong, Florida e Texas.

 

Il design fa parte di un concetto per lo sviluppo di batterie a stato solido sicure, eliminando il liquido o il gel polimerico solitamente utilizzato come materiale elettrolitico tra i due elettrodi della batteria. Un elettrolita consente 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'elevata volatilità e sono stati fonte di esplosioni nelle batterie al litio.

 

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

 

Uno dei maggiori problemi è che quando la batteria è carica, gli atomi si accumulano all'interno del metallo di litio, provocandone l'espansione. Il metallo si restringe quindi di nuovo durante la scarica, poiché viene utilizzata la batteria. 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 frattura o il distacco dell'elettrolita solido.

 

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

 

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

 

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

 

"Abbiamo progettato questa struttura che ci fornisce elettrodi tridimensionali, come un nido d'ape", afferma Li. Gli spazi vuoti in ciascun tubo della struttura consentono al litio di "strisciare all'indietro" nei tubi, "e in questo modo non si accumula stress per rompere l'elettrolita solido". L'espansione e il litio che si contrae all'interno di questi tubi si muove dentro e fuori, un po' come i pistoni del motore di un'auto all'interno dei cilindri. Poiché queste strutture sono costruite a dimensioni nanometriche (i tubi hanno un diametro compreso tra 100 e 300 nanometri e un'altezza di decine di micron), il risultato è come "un motore con 10 miliardi di pistoni, con litio metallico come fluido di lavoro, â dice Li.

 

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

 

 

Placcatura e stripping reversibile del metallo Li in un tubo di carbonio con un diametro interno di 100 nm. Per gentile concessione dei ricercatori.

 

Li dice che sebbene molti altri gruppi stiano lavorando su quelle che chiamano batterie solide, la maggior parte di questi sistemi funziona effettivamente meglio con dell'elettrolita liquido mescolato con il materiale dell'elettrolita solido. «Ma nel nostro caso», dice, «è davvero tutto solido. Non contiene liquidi o gel di alcun tipo.â

 

Il nuovo sistema potrebbe portare a anodi sicuri che pesano solo un quarto in più rispetto alle loro controparti convenzionali nelle batterie agli ioni di litio, a parità di capacità di accumulo. Se combinato con nuovi concetti per versioni leggere dell'altro elettrodo, il catodo, questo lavoro potrebbe portare a sostanziali riduzioni del peso complessivo delle batterie agli ioni di litio. Ad esempio, il team spera che possa portare a 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 articolo apparso il mese scorso sulla rivista Nature Energy, co-autore del postdoc del MIT Zhi Zhu e dello studente laureato Daiwei Yu. Il materiale ridurrebbe l'uso di nichel e cobalto, che sono costosi e tossici e utilizzati nei catodi odierni. Il nuovo catodo non si basa solo sul contributo alla capacità di questi metalli di transizione nel ciclo della batteria. Invece, farebbe più affidamento sulla capacità redox dell'ossigeno, che è molto più leggero e abbondante. Ma in questo processo gli ioni ossigeno diventano più mobili, il che può farli fuoriuscire dalle particelle catodiche. I ricercatori hanno utilizzato un trattamento superficiale ad alta temperatura con sale fuso per produrre uno strato superficiale protettivo su particelle di ossido di metallo ricco di manganese e litio, in modo da ridurre drasticamente la quantità di perdita di ossigeno.

 

Anche se lo strato superficiale è molto sottile, di soli 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 miglioramento del 50 percento della quantità di energia che può essere immagazzinata per un dato peso, con una stabilità ciclistica molto migliore.

 

Finora il team ha costruito solo piccoli dispositivi su scala di laboratorio, ma "Mi aspetto che questo possa essere ampliato molto rapidamente", afferma Li. I materiali necessari, principalmente manganese, sono significativamente più economici del nichel o del cobalto utilizzati da altri sistemi, quindi questi catodi potrebbero costare fino a un quinto rispetto alle versioni convenzionali.

 

I gruppi di ricerca includevano ricercatori del MIT, della Hong Kong Polytechnic University, dell'Università della Florida centrale, dell'Università del Texas ad Austin e dei Brookhaven National Laboratories di Upton, New York. Il lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation.