Gli scienziati dell’Army Research Laboratory del U.S. Army Combat Capabilities Development Command, in collaborazione con l’Università del Maryland, potrebbero aver trovato una soluzione al problema del livello di energia ancora insoddisfacente che le batterie agli ioni di litio offrono ai militari impegnati sul campo.
di MIT Technology Review Italia
I ricercatori del team dell’Army Research Laboratory affermano che il nuovo design di elettroliti per le batterie agli ioni di litio migliora la capacità dell’anodo di oltre cinque volte rispetto ai metodi tradizionali e avvicina questa tecnologia alla fase di commercializzazione. Lo strato autorigenerante e protettivo della batteria rallenta infatti in modo significativo il processo di degradazione degli elettroliti e degli anodi di silicio, permettendo di prolungare la durata delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione.
L’ultimo design della batteria ha aumentato il numero di cicli possibili da decine a oltre un centinaio con un degrado limitato. La rivista “Nature Energy” ha pubblicato i loro risultati, sottolineando come: “I miglioramenti sono facilitati dalla formazione di un’interfase a doppio strato, in cui il LiF possiede un’elevata energia interfacciale con l’anodo di lega per poter contenere la deformazione plastica della lega litiata durante il ciclo. Questo lavoro fornisce una soluzione semplice, ma pratica, all’attuale tecnologia delle batterie senza alcuna modifica del legante o metodi di fabbricazione speciali”.
Le batterie agli ioni di litio usano generalmente anodi di grafite, che hanno una capacità di circa 370 milliampore (mAh) per grammo. Ma gli anodi fatti di silicio possono offrire da 1.500 a 2.800 mAh al grammo, o almeno quattro volte più capacità. I ricercatori sostengono che gli anodi in particelle di silicio, al contrario dei tradizionali anodi in grafite, offrono alternative eccellenti, ma si degradano anche molto più velocemente.
A differenza della grafite, il silicio si espande e si contrae durante il funzionamento di una batteria. Man mano che le nanoparticelle di silicio all’interno dell’anodo diventano più grandi, spesso rompono lo strato protettivo – chiamato interfase elettrolita solido – che circonda l’anodo. L’interfase elettrolita solido è la strategia più efficace per inibire la crescita del dendrite e ottenere prestazioni più elevate in termini di ciclo di batteria. Ma se questo strato protettivo viene danneggiato, le particelle di anodo appena esposte reagiranno continuamente con l’elettrolito fino a quando si esaurisce.
“Altri hanno cercato di affrontare questo problema progettando uno strato protettivo che si espande quando l’anodo al silicio lo fa”, ha detto Oleg Borodin dell’US Army Research Laboratory. “Tuttavia, questi metodi causano ancora un certo degrado degli elettroliti, il che riduce significativamente la durata dell’anodo e della batteria”.
I ricercatori hanno deciso di provare un nuovo approccio. Invece di una barriera elastica, hanno progettato una barriera rigida che non si rompe, anche quando le nanoparticelle di silicio si espandono. Hanno sviluppato una batteria agli ioni di litio che riduce sostanzialmente la degradazione dell’elettrolita.
“Abbiamo evitato con successo il malfunzionamento dell’interfase elettrolitica solida formando un SEI ceramico che ha una bassa affinità con le particelle di silicio litiato, in modo che il silicio litiato possa trasferirsi all’interfaccia durante il cambio di volume senza provocare danneggiamenti”, ha affermato Chunsheng Wang, professore di ingegneria chimica e biomolecolare dell’Università del Maryland. “Il principio di progettazione dell’elettrolito è universale per tutti gli anodi in lega e apre una nuova opportunità per sviluppare batterie ad alta energia”.
Il design della batteria concepito dal gruppo di Borodin e Wang ha dimostrato un’efficienza coulombica del 99,9 percento, il che significa che solo lo 0,1 percento dell’energia viene persa a causa del degrado degli elettroliti ogni ciclo. Si tratta di un miglioramento significativo rispetto ai progetti convenzionali per batterie agli ioni di litio con anodi di silicio, che hanno un’efficienza del 99,5 percento. Sebbene apparentemente modesta, per Borodin questa differenza si traduce in una vita ciclica cinque volte più lunga.
Il nuovo design offre anche molti altri vantaggi. La maggiore capacità della batteria ha permesso all’elettrodo di essere notevolmente più sottile, il che ha reso il tempo di ricarica molto più veloce e la batteria stessa molto più leggera. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la batteria poteva gestire temperature più fredde meglio dei prodotti esistenti.
Per le batterie normali, le temperature più fredde rallentano la diffusione e possono persino congelare i liquidi al loro interno, ma con il nuovo design gli ioni devono percorrere distanze più brevi, migliorando le prestazioni delle batterie a bassa temperatura, una caratteristica importante per i militari che operano in climi freddi.
Il prossimo passo nella ricerca sarà quello di sviluppare una cella più grande con una tensione più alta usando questo design. Alla luce di questo obiettivo, il team sta attualmente esaminando come si possa migliorare la fase del passaggio al lato del catodo nella batteria agli ioni di litio.
(rp)
