Una strategia per progettare uno strato intermedio di anodo al litio per batterie al litio-metallo completamente solide.

3 febbraio 2024 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Negli ultimi decenni, ingegneri e chimici hanno lavorato per sviluppare tecnologie di batterie sempre più avanzate in grado di soddisfare le crescenti esigenze dell'industria elettronica. Ciò ha portato all'emergere di nuovi tipi di batterie, tra cui le batterie completamente a stato solido.

Le batterie completamente a stato solido (ASSB) sono celle di batteria che includono un elettrolita solido situato tra due elettrodi. Queste batterie, in particolare le batterie al litio completamente a stato solido (ASSLB), possono mostrare densità energetiche elevate e maggiore sicurezza, risolvendo alcune delle limitazioni dei design delle batterie al litio-ionico (LiB) convenzionali.

Nonostante le loro proprietà vantaggiose, le ASSLB non sono ancora state implementate su larga scala. Ciò è dovuto in parte alla crescita dei dendriti di Li e alla loro alta resistenza interfacciale, che possono compromettere significativamente le loro prestazioni.

Ricercatori dell'Università del Maryland hanno recentemente introdotto un nuovo principio per la progettazione di ASSLB sicure e ad alta energia. Questo principio, descritto in Nature Energy, potrebbe contribuire allo sviluppo di celle a combustibile più potenti e affidabili per veicoli elettrici e grandi sistemi robotici.

"L'attuale sforzo per affrontare il problema dei dendriti di litio delle batterie completamente a stato solido si basa su esperimenti di tentativi ed errori", ha detto Zeyi Wang, primo autore dell'articolo, a Tech Xplore. "Invece di segnalare un singolo strato intermedio, questo articolo si propone di sviluppare un principio di progettazione dell'interfaccia che possa guidare la fabbricazione di una serie di strati intermedi. Questo è un modo per risolvere completamente il problema dei dendriti di litio nelle batterie completamente a stato solido."

L'obiettivo principale del recente lavoro di Wang e dei suoi colleghi era identificare una strategia promettente per mitigare la crescita dei dendriti di Li nelle ASSLB. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha proposto l'introduzione di uno strato speciale tra l'anodo al litio e l'elettrolita solido nelle celle di batteria.

"Aggiungere uno strato speciale tra l'anodo al litio e l'elettrolita solido può potenzialmente affrontare i problemi dei dendriti di litio, ma le proprietà dell'interfaccia sono di fondamentale importanza per raggiungere questo obiettivo", ha spiegato Wang. "Il nostro principio di progettazione correla la stabilità della batteria con diverse proprietà chiave dello strato intermedio. In particolare, sottolinea che lo strato intermedio dovrebbe essere litiofobico (ovvero respinto dal metallo al litio), altamente conduttivo ionicamente e leggermente elettronicamente conduttivo, e poroso."

Nel contesto del loro studio, i ricercatori hanno utilizzato il loro principio di progettazione per creare una cella di batteria [email protected]/Li6PS5Cl/20µm-Li con una capacità di area di 2,2 mAh cm-2. Nei test iniziali, queste celle di batteria si sono dimostrate straordinariamente performanti, mantenendo l'82,4% della loro capacità dopo 350 cicli di funzionamento a 60° C a una velocità di 0, 5 C.

"Mentre studi precedenti hanno introdotto molte interfacce per sopprimere i dendriti di litio, il loro meccanismo sottostante non è stato spiegato chiaramente e la progettazione non può essere generalizzata", ha detto Wang. "Il successo del nostro principio di progettazione è che apre nuove opportunità per sviluppare batterie sicure."

È importante notare che il principio di progettazione introdotto da Wang e dai suoi colleghi potrebbe essere applicato a una vasta gamma di ASSLB, contribuendo a sopprimere la formazione dei dendriti di Li e quindi migliorando le prestazioni delle batterie. Pertanto, potrebbe presto spianare la strada per lo sviluppo di una vasta gamma di tecnologie di batterie sicure e ad alte prestazioni contenenti elettroliti solidi, che potrebbero alimentare veicoli elettrici e altri grandi dispositivi elettronici.

"Nei nostri studi successivi, testeremo ulteriori interfacce per modificare e verificare il principio di progettazione", ha aggiunto Wang. "Ottimizzeremo poi i materiali dell'interfaccia in base ai principi di progettazione. Abbiamo intenzione di aumentare la scala per la produzione e testare infine il dispositivo sui veicoli in futuro."

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