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Il nuovo design potrebbe consentire batterie agli ioni di litio più durature e più potenti

2021-06-16
TEMI:
Batteria, tecnologia, energia, ioni di litio, MIT
Di DAVID L. CHANDLER, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY 26 MARZO 2021



L'uso di un nuovo elettrolita potrebbe consentire elettrodi metallici avanzati e tensioni più elevate, aumentando la capacità e la durata del ciclo.

Le batterie agli ioni di litio hanno reso possibili i dispositivi elettronici leggeri la cui portabilità ora diamo per scontata, così come la rapida espansione della produzione di veicoli elettrici. Ma i ricercatori di tutto il mondo stanno continuando a spingere i limiti per raggiungere densità di energia sempre maggiori - la quantità di energia che può essere immagazzinata in una data massa di materiale - al fine di migliorare le prestazioni dei dispositivi esistenti e potenzialmente consentire nuovi applicazioni come droni e robot a lungo raggio.

Un approccio promettente è l'uso di elettrodi metallici al posto della grafite convenzionale, con una tensione di carica più elevata nel catodo. Tali sforzi sono stati tuttavia ostacolati da una serie di reazioni chimiche indesiderate che avvengono con l'elettrolita che separa gli elettrodi. Ora, un team di ricercatori del MIT e altrove ha trovato un nuovo elettrolita che supera questi problemi e potrebbe consentire un salto significativo nella potenza per peso delle batterie di prossima generazione, senza sacrificare la durata del ciclo.

La ricerca è riportata sulla rivista Nature Energy in un articolo dei professori del MIT Ju Li, Yang Shao-Horn e Jeremiah Johnson; postdottorato Weijiang Xue; e altri 19 al MIT, due laboratori nazionali e altrove. I ricercatori affermano che la scoperta potrebbe consentire alle batterie agli ioni di litio, che ora in genere possono immagazzinare circa 260 wattora per chilogrammo, di immagazzinare circa 420 wattora per chilogrammo. Ciò si tradurrebbe in una maggiore autonomia per le auto elettriche e cambiamenti più duraturi sui dispositivi portatili.



Le immagini della tomografia a raggi X scattate al Brookhaven National Lab mostrano la rottura di una particella in un elettrodo di una cella di batteria che utilizzava un elettrolita convenzionale (come mostrato a sinistra). I ricercatori hanno scoperto che l'uso di un nuovo elettrolita ha impedito la maggior parte di questo cracking (a destra). Credito: per gentile concessione dei ricercatori

Le materie prime di base per questo elettrolita sono poco costose (anche se uno dei composti intermedi è ancora costoso perché è in uso limitato) e il processo per realizzarlo è semplice. Quindi, questo progresso potrebbe essere implementato in tempi relativamente brevi, dicono i ricercatori.

L'elettrolita in sé non è nuovo, spiega Johnson, professore di chimica. È stato sviluppato alcuni anni fa da alcuni membri di questo gruppo di ricerca, ma per un'applicazione diversa. Faceva parte di uno sforzo per sviluppare batterie al litio-aria, che sono viste come la soluzione definitiva a lungo termine per massimizzare la densità di energia della batteria. Ma ci sono ancora molti ostacoli che devono ancora affrontare lo sviluppo di tali batterie e quella tecnologia potrebbe essere ancora lontana. Nel frattempo, l'applicazione di quell'elettrolita alle batterie agli ioni di litio con elettrodi metallici risulta essere qualcosa che può essere ottenuto molto più rapidamente.

La nuova applicazione di questo materiale per elettrodi è stata trovata "un po' per caso", dopo che era stata inizialmente sviluppata alcuni anni fa da Shao-Horn, Johnson e altri, in un'impresa collaborativa volta allo sviluppo di batterie al litio-aria.

"Non c'è ancora davvero nulla che consenta una buona batteria ricaricabile al litio-aria", afferma Johnson. Tuttavia, "abbiamo progettato queste molecole organiche che speravamo potessero conferire stabilità, rispetto agli elettroliti liquidi esistenti che vengono utilizzati". Hanno sviluppato tre diverse formulazioni a base di sulfamidici, che hanno scoperto essere abbastanza resistenti all'ossidazione e ad altre degradazioni. effetti. Quindi, lavorando con il gruppo di Li, il postdoc Xue ha deciso di provare questo materiale con catodi più standard.

Il tipo di elettrodo della batteria che hanno ora utilizzato con questo elettrolita, un ossido di nichel contenente un po' di cobalto e manganese, "è il cavallo di battaglia dell'odierna industria dei veicoli elettrici", afferma Li, professore di scienze nucleari. e ingegneria e scienza e ingegneria dei materiali.
 
Poiché il materiale dell'elettrodo si espande e si contrae in modo anisotropico quando viene caricato e scaricato, ciò può portare a rotture e un calo delle prestazioni se utilizzato con elettroliti convenzionali. Ma in esperimenti in collaborazione con il Brookhaven National Laboratory, i ricercatori hanno scoperto che l'uso del nuovo elettrolita riduceva drasticamente queste degradazioni dovute a corrosione da stress.

Il problema era che gli atomi di metallo nella lega tendevano a dissolversi nell'elettrolita liquido, perdendo massa e portando alla rottura del metallo. Al contrario, il nuovo elettrolita è estremamente resistente a tale dissoluzione. Guardando i dati dei test di Brookhaven, dice Li, è stato "un po' scioccante vedere che, se si cambia solo l'elettrolita, allora tutte queste crepe sono sparite". Hanno scoperto che la morfologia del materiale dell'elettrolita è molto più robusto e i metalli di transizione “non hanno la stessa solubilità” in questi nuovi elettroliti.

È stata una combinazione sorprendente, dice, perché il materiale consente ancora facilmente il passaggio degli ioni di litio, il meccanismo essenziale mediante il quale le batterie vengono caricate e scaricate, bloccando l'ingresso degli altri cationi, noti come metalli di transizione. L'accumulo di composti indesiderati sulla superficie dell'elettrodo dopo molti cicli di carica-scarica è stato ridotto di oltre dieci volte rispetto all'elettrolita standard.

"L'elettrolita è chimicamente resistente all'ossidazione di materiali ricchi di nichel ad alta energia, prevenendo la frattura delle particelle e stabilizzando l'elettrodo positivo durante il ciclo", afferma Shao-Horn, professore di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali. “L'elettrolita consente anche lo stripping e la placcatura stabili e reversibili del litio metallico, un passo importante verso l'abilitazione di batterie ricaricabili al litio metallico con un'energia due volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio all'avanguardia. Questa scoperta catalizzerà un'ulteriore ricerca di elettroliti e progetti di elettroliti liquidi per batterie al litio-metallo che rivaleggiano con quelle con elettroliti allo stato solido.

Il prossimo passo è ridimensionare la produzione per renderla accessibile. "Lo realizziamo in una reazione molto semplice da materiali di partenza commerciali prontamente disponibili", afferma Johnson. In questo momento, il composto precursore utilizzato per sintetizzare l'elettrolita è costoso, ma dice: "Penso che se possiamo mostrare al mondo che questo è un ottimo elettrolita per l'elettronica di consumo, la motivazione a crescere ulteriormente aiuterà a guidare il prezzo basso.â€

Poiché questo è essenzialmente un sostituto "drop in" per un elettrolita esistente e non richiede la riprogettazione dell'intero sistema di batterie, afferma Li, potrebbe essere implementato rapidamente e potrebbe essere commercializzato entro un paio d'anni. â€Non ci sono elementi costosi, sono solo carbonio e fluoro. Quindi non è limitato dalle risorse, è solo il processo†, dice.

Riferimento: "catodi a strati ricchi di Ni ad altissima tensione in pratiche batterie al metallo di litio abilitate da un elettrolita a base di sulfamidici" di Weijiang Xue, Mingjun Huang, Yutao Li, Yun Guang Zhu, Rui Gao, Xianghui Xiao, Wenxu Zhang, Sipei Li, Guiyin Xu, Yang Yu, Peng Li, Jeffrey Lopez, Daiwei Yu, Yanhao Dong, Weiwei Fan, Zhe Shi, Rui Xiong, Cheng-Jun Sun, Inhui Hwang, Wah-Keat Lee, Yang Shao-Horn, Jeremiah A. Johnson e Ju Li, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-021-00792-y

La ricerca è stata supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation e ha utilizzato le strutture del Brookhaven National Laboratory e dell'Argonne National Laboratory.