Nuovo design di elettrolita mostra promesse per batterie al litio-metallo più durature

18 agosto 2024 caratteristica

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di Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Le batterie al litio-metallo potrebbero mostrare una densità energetica significativamente superiore rispetto alle batterie al litio-ion, che sono la principale tecnologia di batterie attualmente sul mercato. Tuttavia, le celle al litio-metallo presentano tipicamente significative limitazioni, la più nota delle quali è una breve durata.

Ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina e di altri istituti hanno recentemente introdotto un nuovo design di elettrolita che potrebbe essere utilizzato per sviluppare celle al litio-metallo pouch ad alte prestazioni con una vita più lunga. Questo elettrolita, presentato in un articolo su Nature Energy, ha una struttura di solvatazione unica, su scala nanometrica, con coppie di ioni densamente impacchettati insieme in aggregati compatte di coppie di ioni (CIPA).

"Gli obiettivi principali del nostro recente lavoro sono accelerare significativamente le applicazioni pratiche delle batterie al litio-metallo e offrire una profonda comprensione meccanicistica di questo sistema complesso", ha detto il Prof. Shuhong Jiao, co-autore dell'articolo, a Tech Xplorea.

"Le batterie al litio-metallo sono il Santo Graal del settore delle batterie e sono considerate una promettente tecnica di batterie di prossima generazione, perché hanno una densità energetica ultra-alta, teoricamente > 500 Wh/kg. Questo è più del doppio rispetto alle batterie al litio-ion che dominano attualmente il mercato delle batterie, il che significa che se riuscissimo a sostituire le batterie al litio-ion con le batterie al litio metallo, l'autonomia dei veicoli elettrici potrebbe raddoppiare per ogni ricarica."

Le batterie al litio-metallo introdotte fino ad oggi hanno una vita ciclica molto limitata di circa 50 cicli, molto inferiore a quella delle batterie al litio-ion commerciali, che di solito possono conservare le loro buone prestazioni per circa 1.000 cicli. Le ragioni di questa vita più breve sono la crescita di dendriti di litio, l'alta reattività del litio metallo e dei catodi dei metalli di transizione ad alta tensione, che insieme inducono il costante degrado dell'elettrolita.

"Nonostante gli sforzi estesi dei ricercatori di tutto il mondo, le prestazioni delle batterie al litio metallo sono ancora ben lontane dall'essere soddisfacenti (> 500 Wh/kg, 1.000 cicli)", ha detto il Prof. Jiao. "La causa principale è che le interfacce tra elettrolita ed elettrodi (cioè l'interfaccia elettrodo-elettrolito e l'interfaccia elettrodo-elettrolito) non possono essere completamente stabilizzate come nel caso delle batterie al litio-ion. Durante il funzionamento della batteria si verifica ancora un degrado costante ed estremo dell'elettrolita."

" Circa cinque anni fa, il Prof. Jiao e i suoi colleghi hanno progettato un elettrolita che può contemporaneamente stabilizzare le interfacce elettrodo-elettrolito e le interfacce catodo-elettrolito nelle celle delle batterie al litio-metallo, sopprimendo il degrado dell'elettrolita. Il loro design dell'elettrolita si basa su indagini precedenti sui processi fisico-chimici microscopici all'interno delle batterie al litio-metallo.

"L'elettrolita è un componente chiave delle batterie al litio-metallo, poiché può modulare la chimica/struttura del SEI e quindi guidare il comportamento di deposito del litio-metallo, dettando infine le prestazioni della batteria", ha spiegato il Prof. Jiao.

"Per scopi di applicazione pratica, abbiamo cercato di realizzare ciò utilizzando componenti economici. I numerosi lavori di altri ricercatori in questo campo ci hanno anche ispirato molto, poiché hanno introdotto molte nuove classi di elettroliti come elettroliti altamente concentrati, localizzati ad alta concentrazione, debole-solvatazione elettrolita e elettrolita a gas liquefatto, ecc."

Per condurre questo studio recente, il Prof. Jiao e il suo gruppo di ricerca hanno collaborato con altri team che potevano effettuare calcoli teorici e caratterizzare gli elettroliti a scala microscopica. I loro sforzi collaborativi hanno portato infine al design di una nuova classe di elettroliti che possono prolungare la vita delle batterie al litio-metallo.

Gli elettroliti che hanno progettato sono composti da molecole commercialmente disponibili e accessibili. La loro caratteristica distintiva è la loro struttura di solvatazione unica.

"La struttura di solvatazione è una caratteristica cruciale intrinseca di un elettrolita, poiché governa il comportamento interfaciale dell'elettrolita, come il meccanismo di reazione interfaciale che controlla la formazione del SEI e quindi la chimica e la struttura del SEI," ha detto il Prof. Jiao.

La struttura di solvatazione dell'elettrolita è stata intensamente modificata a livello microscopico nella letteratura scientifica peer-reviewed finora, in particolare la prima shell di solvatazione dell'ione litio, ma la regolazione strutturale oltre questa scala, ossia la seconda shell di solvatazione e oltre, è in gran parte trascurata.

Lo studio recente del Prof. Jiao e dei suoi colleghi ha aperto la strada alla regolazione della struttura di solvatazione di un elettrolita a livello mesoscopico. Il loro design unico si concentra specificamente sull'interazione tra coppie di ioni alla base della formazione della struttura aggregata dell'elettrolita.

'Il nostro elettrolita presenta grandi aggregati compatti, formati dall'impacchettamento denso di coppie di ioni litio-anione con legame di coordinazione tra di loro, che definiamo come 'aggregato di coppie di ioni compatti (CIPA),' ha detto il Prof. Jiao. 'Questo contrasta fortemente con la predominanza di piccoli aggregati e coppie di ioni separati nell'elettrolita ad alta concentrazione localizzata, una classe di elettroliti all'avanguardia con le migliori prestazioni batteriche fino ad oggi, aprendo una nuova strada per il design degli elettroliti.'

È importante notare che il nuovo elettrolita progettato da questo team di ricerca mostra una riduzione collettiva unica sull'anodo di litio-metallico. Ciò significa che le nuvole di anioni nella struttura CIPA vengono rapidamente ridotte (cioè, decomposte) sulla superficie del litio, formando composti inorganici come Li2O e LiF, così come una sottile e stabile SEI, che a sua volta sopprime la costante decomposizione dell'elettrolita.

'Grazie al comportamento unico di trasferimento collettivo di elettroni, il nostro elettrolita forma una SEI sottile e conformale con basso contenuto organico e ricco di componenti inorganici con distribuzione uniforme, che può favorire il flusso omogeneo di ioni litio all'interno della SEI e la deposizione di litio senza dendriti,' ha detto il Prof. Jiao. 'Ciò porta a una deposizione di litio omogenea e compatta, che riduce le aree specifiche dell'anodo di litio-metallico per sopprimere ulteriormente la decomposizione dell'elettrolita.'

Inoltre, il nuovo elettrolita progettato dai ricercatori mostra contemporaneamente una buona stabilità ossidativa e sopprime la dissoluzione degli elementi metallici di transizione dal catodo, migliorando così la stabilità dell'interfaccia del catodo. La stabilizzazione di questa interfaccia, insieme a quella dell'interfaccia litio-elettrolita, si è rivelata determinante per un ciclaggio stabile per un numero prolungato di cicli.

'La struttura di solvatazione mesoscopica introdotta nel nostro articolo porta a una nuova classe di elettroliti, aprendo una nuova strada per il design degli elettroliti delle batterie al litio-metallo,' ha detto il Prof. Jiao.

Per valutare il potenziale del loro nuovo elettrolita progettato, i ricercatori lo hanno utilizzato per creare una cella pouch al litio-metallo da 500 Wh/kg. Nei test iniziali, è stato scoperto che questa cella conservava il 91% della sua energia dopo essere stata in funzione per 130 cicli. In futuro, questo nuovo design di elettrolita potrebbe essere riprodotto e testato da altri ricercatori in tutto il mondo, per valutarne ulteriormente il potenziale di prolungamento della vita delle batterie al litio-metallo.

'Al momento stiamo pianificando di prolungare ulteriormente la durata di ciclo delle celle pouch al litio-metallo da 500 Wh/kg a più di 1.000 cicli,' ha aggiunto il Prof. Jiao. 'D'altro canto, stiamo ancora esplorando il nuovo sistema di batterie per realizzare una densità energetica molto più elevata con una lunga durata, come ad esempio ≥ 600 Wh/kg con 100-200 cicli. Tutti questi studi scientifici fondamentali sono preziosi per realizzare l'implementazione delle batterie al litio-metallo in molti contesti.'

Maggiori informazioni: Yulin Jie et al, Verso celle pouch al litio metallo da 500 Wh kg−1 a lunga durata tramite elettroliti di aggregati di coppie di ioni compatti, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01565-z

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