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Gli elettroliti di plastica elastici potrebbero consentire un nuovo design della batteria agli ioni di litio

2022-04-24

Di Josh Brown, Georgia Institute of Technology



La crescente popolarità delle batterie agli ioni di litio negli ultimi anni ha messo a dura prova la fornitura mondiale di cobalto e nichel, due metalli parte integrante degli attuali modelli di batterie, e ha fatto salire i prezzi.

Nel tentativo di sviluppare progetti alternativi per batterie a base di litio con una minore dipendenza da quei metalli scarsi, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un nuovo promettente sistema catodico ed elettrolitico che sostituisce i metalli costosi e il tradizionale elettrolita liquido con fluoruri di metalli di transizione a basso costo e un elettrolita polimerico solido.

"Gli elettrodi realizzati con fluoruri di metalli di transizione hanno da tempo mostrato problemi di stabilità e guasti rapidi, portando a un notevole scetticismo sulla loro capacità di essere utilizzati nelle batterie di prossima generazione", ha affermato Gleb Yushin, professore presso la Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Ma abbiamo dimostrato che se utilizzati con un elettrolita polimerico solido, i fluoruri metallici mostrano una notevole stabilità, anche a temperature più elevate, che potrebbero portare a batterie agli ioni di litio più sicure, leggere ed economiche".

In una tipica batteria agli ioni di litio, l'energia viene rilasciata durante il trasferimento di ioni di litio tra due elettrodi: un anodo e un catodo, con un catodo che comprende tipicamente litio e metalli di transizione come cobalto, nichel e manganese. Gli ioni fluiscono tra gli elettrodi attraverso un elettrolita liquido.

Per lo studio, che è stato pubblicato il 9 settembre sulla rivista Nature Materials e sponsorizzato dall'Ufficio di ricerca dell'esercito, il team di ricerca ha fabbricato un nuovo tipo di catodo da materiale attivo di fluoruro di ferro e un nanocomposito di elettrolita polimerico solido. I fluoruri di ferro hanno più del doppio della capacità del litio dei tradizionali catodi a base di cobalto o nichel. Inoltre, il ferro è 300 volte più economico del cobalto e 150 volte più economico del nichel.

Per produrre un tale catodo, i ricercatori hanno sviluppato un processo per infiltrare un elettrolita polimerico solido nell'elettrodo di fluoruro di ferro prefabbricato. Hanno quindi pressato a caldo l'intera struttura per aumentare la densità e ridurre eventuali vuoti.


Due caratteristiche centrali dell'elettrolita a base di polimeri sono la sua capacità di flettersi e accogliere il rigonfiamento del fluoruro di ferro durante il ciclo e la sua capacità di formare un'interfase molto stabile e flessibile con il fluoruro di ferro. Tradizionalmente, il gonfiore e le massicce reazioni collaterali sono stati problemi chiave con l'uso del fluoruro di ferro nei precedenti modelli di batterie.

"I catodi realizzati con fluoruro di ferro hanno un potenziale enorme a causa della loro elevata capacità, dei bassi costi dei materiali e della disponibilità molto ampia del ferro", ha affermato Yushin. "Ma i cambiamenti di volume durante il ciclo, così come le reazioni collaterali parassitarie con elettroliti liquidi e altri problemi di degradazione ne hanno limitato l'uso in precedenza. L'uso di un elettrolita solido con proprietà elastiche risolve molti di questi problemi".

I ricercatori hanno quindi testato diverse varianti delle nuove batterie a stato solido per analizzare le loro prestazioni su oltre 300 cicli di carica e scarica a temperatura elevata di 122 gradi Fahrenheit, notando che hanno superato i progetti precedenti utilizzando fluoruro di metallo anche quando sono stati mantenuti freschi a temperature ambiente.

I ricercatori hanno scoperto che la chiave per migliorare le prestazioni della batteria era l'elettrolita polimerico solido. In precedenti tentativi di utilizzare fluoruri metallici, si credeva che gli ioni metallici migrassero sulla superficie del catodo e alla fine si dissolvessero nell'elettrolita liquido, causando una perdita di capacità, in particolare a temperature elevate. Inoltre, i fluoruri metallici hanno catalizzato la massiccia decomposizione di elettroliti liquidi quando le celle funzionavano a temperature superiori a 100 gradi Fahrenheit. Tuttavia, alla connessione tra l'elettrolita solido e il catodo, tale dissoluzione non avviene e l'elettrolita solido rimane notevolmente stabile, prevenendo tali degradazioni, hanno scritto i ricercatori.

"L'elettrolita polimerico che abbiamo usato era molto comune, ma molti altri elettroliti solidi e altre architetture di batterie o elettrodi, come le morfologie delle particelle core-shell, dovrebbero essere in grado di mitigare in modo analogo drasticamente o addirittura prevenire completamente le reazioni collaterali dei parassiti e ottenere prestazioni stabili caratteristiche", ha affermato Kostiantyn Turcheniuk, ricercatore nel laboratorio di Yushin e coautore del manoscritto.

In futuro, i ricercatori mirano a sviluppare elettroliti solidi nuovi e migliorati per consentire una ricarica rapida e anche a combinare elettroliti solidi e liquidi in nuovi progetti che siano completamente compatibili con le tecnologie di produzione di celle convenzionali impiegate nelle grandi fabbriche di batterie.