Un metodo di sostituzione dei cationi per realizzare elettroliti ad alte prestazioni per le batterie metalliche multivalenti

21 gennaio 2024

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Con l'aumento dell'uso di veicoli elettrici e ibridi in molti paesi di tutto il mondo, lo sviluppo di tecnologie delle batterie sicure e ad alte prestazioni diventa sempre più cruciale. In particolare, gli ingegneri stanno cercando di aumentare la sicurezza e la capacità energetica delle batterie, garantendo al contempo la loro scalabilità e rallentando la loro degradazione nel tempo.

Le tecnologie delle batterie che potrebbero supportare le esigenze dell'industria dell'elettronica includono batterie metalliche multivalenti ricaricabili (cioè batterie che impiegano ioni multivalenti) basate su materiali di anodo con bassi potenziali di riduzione, come il magnesio (Mg) e il calcio (Ca). Queste batterie potrebbero avere alte densità di energia se sviluppate utilizzando la giusta combinazione di anodi, catodi ed elettroliti.

Negli ultimi anni, diversi materiali di anodo economici sono stati identificati per queste batterie. Al contrario, molti degli elettroliti proposti sono difficili da reperire o dipendono da processi di sintesi sofisticati, il che rende difficile la loro produzione su larga scala.

Ricercatori presso l'Università di Zhejiang, il Centro globale di innovazione scientifica e tecnologica ZJU-Hangzhou e l'Università di Tecnologia di Dalian hanno recentemente introdotto un nuovo metodo universale per realizzare elettroliti ad alte prestazioni e scalabili per batterie metalliche multivalenti. La loro strategia proposta, descritta in un articolo su Nature Energy, potrebbe contribuire a ideare sistemi di elettroliti reversibili e più abbordabili, che potrebbero rivelarsi preziosi per le tecnologie delle batterie di prossima generazione.

"Si cercano sistemi di elettroliti ad alte prestazioni ed economicamente efficienti per le batterie metalliche multivalenti ad alta densità di energia," hanno scritto Siyuang Li, Jiahui Zhang e i loro colleghi nel loro articolo.

"Tuttavia, il costoso precursore e il complesso processo di sintesi ostacolano l'esplorazione delle interfacce elettrodo di catodo/elettrolita e delle strutture di solvatazione. Abbiamo sviluppato un metodo universale di sostituzione dei cationi per preparare elettroliti al magnesio e calcio a basso costo e ad alta reversibilità derivati da una struttura di solvatazione di organoborato di zinco."

Il metodo introdotto da questo team di ricerca comprende diverse fasi. Inizialmente, i ricercatori hanno innescato una reazione chimica tra un precursore di Zn(BH4)2 economico e facilmente reperibile e diversi fluoroalcoli, producendo anioni target con varie catene ramificate.

In seguito, queste solvate di anione hanno reagito con lastre di metallo a basso costo con una maggiore attività metallica per produrre strutture di solvatazione target. Per sopprimere il continuo decomposizione dei solventi e mantenere un ciclo di batteria stabile, i ricercatori hanno proposto la formazione di uno strato di passivazione basato su due tipi di solvati di calcio.

"Regolando razionalmente la lunghezza della catena del precursore e il grado di sostituzione F, possiamo regolare finemente la partecipazione dell'anione nella struttura di solvatazione primaria," spiegano i ricercatori nel loro articolo. "Un elettrolita di organoborato di magnesio completamente dissociato consente un'elevata resistenza di corrente e una cinetica elettrochimica migliorata, mentre l'elettrolita di organoborato di calcio con forte coordinazione/interazione B-H offre un'interfase solido-elettrolita stabile con un'alta efficienza coulombica."

Finora, i ricercatori hanno utilizzato il loro metodo per creare un prototipo di batteria ad alta capacità di 53,4 Wh kg−1 basata su Mg/S, che conteneva un anodo di Mg di 30 μm, un basso rapporto elettrolita/zolfo (E/S = 5.58 μl mg−1) e un separatore/interlayer modificato. Nei test iniziali, il prototipo di batteria ha ottenuto risultati promettenti, evidenziando le potenzialità di questo approccio nel creare elettroliti favorevoli e a basso costo per le batterie metalliche multivalenti.

In futuro, il metodo presentato in questo articolo potrebbe spianare la strada alla creazione di vari sistemi di elettroliti reversibili che si basano su materiali più accessibili e strategie di lavorazione più semplici. Questi elettroliti potrebbero essere utilizzati per creare batterie metalliche multivalenti scalabili e sicure con densità energetiche più elevate.

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