Solido

Aug 02, 2023

Just_Super/iStock

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I ricercatori dell’Università di Bayreuth, in Germania, con partner cinesi, hanno fatto un passo avanti significativo nella tecnologia delle batterie. Utilizzando un innovativo additivo a base di nitrati, hanno sviluppato con successo una nuova batteria al litio-metallo allo stato solido che è stabile e potenzialmente di lunga durata. Ciò, sottolinea il gruppo di ricerca, sottolinea l'importanza della progettazione molecolare nella creazione di additivi efficaci per elettroliti quasi allo stato solido.

Il professor Francesco Ciucci, titolare della cattedra di progettazione di elettrodi per sistemi energetici elettrochimici presso l'Università di Bayreuth, ha collaborato con partner di ricerca cinesi per risolvere problemi di incompatibilità tra nitrato di litio e 1,3-diossolano (DOL) negli elettroliti di batterie quasi solide integrando un nuovo additivo a base di nitrati. Si tratta di uno sviluppo significativo poiché, in passato, tali problemi di incompatibilità rendevano molto difficile la creazione o la produzione di tali batterie.

La scoperta del team consente ora lo sviluppo di batterie al litio metallico a stato solido che sono altamente sicure, durevoli e facili da produrre, pur mantenendo i metodi di produzione utilizzati per le batterie liquide convenzionali.

Nei loro esperimenti, hanno provato a realizzare diverse versioni di queste batterie e hanno scoperto che un tipo particolare, la cella al litio-zolfo (Li-S), funzionava particolarmente bene. Le batterie Li-S hanno il potenziale per una densità energetica molto elevata. Ciò significa che possono immagazzinare molta energia in relazione al loro peso, il che è particolarmente utile per applicazioni come l’aviazione o i veicoli elettrici dove il peso conta. A parte l’elevata densità di energia, lo zolfo è abbondante ed economico, il che potrebbe rendere le batterie Li-S più convenienti rispetto ad altre tecnologie di batterie se si affrontassero le sfide tecniche.

Prof. Dr. Francesco Ciucci et al, 2023.

Ma, fino ad ora, le cellule Li-S hanno sofferto di scarsa stabilità e durata del ciclo.

"La natura allo stato solido delle batterie garantisce un elevato livello di sicurezza mentre la loro produzione rimane semplice", ha spiegato il prof. Ciucci. "Abbiamo dimostrato l'universalità dell'approccio creando vari tipi di batterie al litio-metallo. In particolare, la cella Li-S a sacchetto prodotta mostra prestazioni superiori rispetto alle celle Li-S a sacchetto precedentemente documentate", ha aggiunto.

Il professor Ciucci e il suo gruppo di ricerca hanno introdotto un nuovo additivo, il trietilenglicole dinitrato, specificamente progettato per consentire la polimerizzazione del DOL. Il gruppo di ricerca ha dimostrato che, in concomitanza con la polimerizzazione, la formazione di uno strato interfase di elettrolita solido ricco di azoto sopprime le reazioni parassite dannose e aumenta l'efficienza della batteria.

Sulla base dei risultati dello studio, sono state sviluppate diverse celle della batteria. Tra queste, le celle a bottone su scala di laboratorio potrebbero essere caricate e scaricate più di 2.000 volte. È stata inoltre fabbricata una cella a sacca Li-S da 1,7 Ah con un'elevata densità di energia di 304 Wh kg-1 e un ciclo stabile.

Questa scoperta rappresenta un grande passo avanti nella tecnologia delle batterie. Mostra l’importanza di progettare correttamente le molecole per realizzare batterie migliori. "Questo studio sottolinea l'importanza della progettazione della struttura molecolare nella creazione di additivi efficaci per elettroliti quasi allo stato solido. Rappresenta un progresso significativo nella fattibilità pratica dell'impiego di elettroliti quasi allo stato solido basati su poli-DOL nelle batterie al litio metallico", ha spiegato il prof. Ciucci.

Puoi visionare tu stesso lo studio sulla rivista Energy & Environmental Science.

Estratto dello studio:

La polimerizzazione in situ di elettroliti quasi allo stato solido (QSSE) sta emergendo come un approccio promettente per [lo sviluppo] di batterie al litio-metallo quasi allo stato solido scalabili, sicure e ad alte prestazioni. In questo contesto, gli elettroliti a base di poli-DOL sono particolarmente attraenti grazie alla loro ampia finestra elettrochimica e alla forte compatibilità con il litio metallico. Per migliorare la stabilità del litio metallico, viene spesso aggiunto LiNO3 poiché crea un'efficace interfase di elettrolita solido ricco di Li3N sulla superficie dell'anodo di litio metallico. Tuttavia, LiNO3 impedisce la polimerizzazione con apertura dell'anello di DOL, rendendo i due composti incompatibili. Per affrontare questo problema, questo lavoro sviluppa il trietilenglicole dinitrato (TEGDN), un nuovo additivo a base di nitrato, per sostituire LiNO3. Come LiNO3, TEGDN forma un'interfase elettrolitica solida densa e ricca di azoto sulla superficie del litio, proteggendolo dalle reazioni parassite. Tuttavia, a differenza di LiNO3, TEGDN non interferisce con la polimerizzazione del DOL, consentendo la fabbricazione di un elettrolita altamente efficace che fornisce una conduttività ionica di 2,87 mS cm−1 e un potenziale di stabilità all'ossidazione di 4,28 V a temperatura ambiente. Per dimostrare la fattibilità di questo approccio, viene fabbricata una cella a moneta Li|LiFePO4 che cicla stabilmente più di 2000 volte a 1C. Inoltre, viene preparata una cella al litio-zolfo del tipo a sacchetto da 1,7 A h con un'energia specifica iniziale di 304 W h kg−1 e una ritenzione di capacità del 79,9% dopo 50 cicli. In breve, il presente studio ha proposto un nuovo additivo per risolvere per la prima volta l’incompatibilità poly-DOL e LiNO3 sviluppando batterie quasi allo stato solido polimerizzate in situ che mostrano notevole capacità e stabilità formando un’interfase di elettrolita solido ricco di N.