Rivoluzionare le batterie EV: un innovativo nuovo legante raddoppia le prestazioni

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo legante ad alte prestazioni per elettrodi a base di microossido di silicio (SiO) nelle batterie agli ioni di litio. È stato dimostrato che questo legante, chiamato acido polivinilfosfonico (PVPA), migliora le prestazioni complessive e la durata delle batterie rispetto ai metodi tradizionali. Questo risultato è attribuito a Noriyoshi Matsumi del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST).

Nonostante il loro uso diffuso in vari campi, le batterie agli ioni di litio necessitano ancora di miglioramenti nei leganti per migliorare le prestazioni e soddisfare le crescenti richieste. L'ossido di silicio (SiO), un materiale anodico promettente noto per la sua elevata capacità e il basso costo, presenta alcune sfide come la scarsa conduttività, che porta a velocità di ricarica più lente, e una significativa espansione durante la ricarica. Di conseguenza, leganti efficaci sono fondamentali per affrontare questi problemi e garantire prestazioni e durata migliori dei sistemi di batterie agli ioni di litio.

Un recente studio pubblicato l'8 febbraio 2024 sulla rivista ACS Applied Energy Materials, guidato dal professor Noriyoshi Matsumi di JAIST insieme a Noriyuki Takamori, Rajashekar Badam, Dr. Tejkiran Pindi Jayakumar e ricercatori della Maruzen Petrochemical Company Ltd., ha studiato il uso del PVPA come legante per elettrodi micro-SiO. Il lavoro dei ricercatori ha portato a prestazioni superiori rispetto alle celle convenzionali.

Il prof. Matsumi afferma che “Il legante PVPA offre una soluzione promettente per prolungare la durata delle batterie secondarie agli ioni di litio ad alte prestazioni. Ciò è particolarmente vero per i veicoli elettrici, dove c’è un forte interesse nel garantire che le batterie secondarie agli ioni di litio abbiano una lunga durata. Il PVPA fornisce un’alternativa migliore ai leganti disponibili in commercio come il poli(acido acrilico) (PAA) e il poli(fluoruro di vinilidene) (PVDF).”

Il gruppo di ricerca ha condotto uno studio che prevedeva la creazione di elettrodi utilizzando leganti PVPA, PAA e PVDF. Le prestazioni di questi leganti sono state valutate attraverso esperimenti elettrochimici e teoria del funzionale della densità. È stato riscontrato che il PVPA ha un’adesione significativamente più forte (3,44 N/m) a un supporto di rame rispetto al PAA (2,03 N/m), portando a una durata notevolmente migliorata nelle batterie agli ioni di litio.

I ricercatori hanno anche scoperto che una cella basata su PVPA erogava quasi il doppio della capacità di scarica di una cella basata su PAA dopo 200 cicli. Inoltre, la semicella basata su PVPA è riuscita a raggiungere 1300 mAhg-1SiO dopo lo stesso numero di cicli. L'uso del PVPA ha portato anche alla stabilizzazione dell'anodo a base di SiO, prevenendone l'esfoliazione anche con una significativa espansione di volume.

In uno sviluppo notevole, il partner dello studio, Maruzen Petrochemical Company Ltd., ha avviato un processo di produzione industriale per il PVPA. La collaborazione in corso con questa azienda e JAIST potrebbe avvicinare l'innovativo legante alle applicazioni pratiche. I brevetti per questa tecnologia sono stati depositati in Giappone e a livello internazionale, congiuntamente da JAIST e Maruzen Petrochemical Company Ltd.

Secondo il prof. Matsumi, “Questo legante ad alte prestazioni e fattibile a livello industriale contribuirà allo sviluppo di batterie altamente durevoli e ad alta densità di energia. Ciò consentirà un’adozione più ampia di veicoli elettrici (EV) senza preoccupazioni sulla differenziazione delle prestazioni per un lungo periodo. In futuro i materiali potrebbero essere applicabili anche a vari veicoli elettrici, come treni, navi e aerei."

In sintesi, è stato sviluppato un nuovo legante funzionale utilizzando acido poli(vinilfosfonico) per anodi a base di SiO nelle batterie agli ioni di litio. Questo legante conveniente migliora le prestazioni rispetto alle opzioni tradizionali, rappresentando un notevole passo avanti per le applicazioni basate su micro-SiO nei veicoli elettrici e in altri formati.

Il riferimento per questo studio è: “Facile Stabilization of Microsilicon Oxide Based Li-Ion Battery Anode Using Poly(vinylfosfonic acid)” di Noriyuki Takamori, Tadashi Yamazaki, Takuro Furukawa, Tejkiran Pindi Jayakumar, Rajashekar Badam e Noriyoshi Matsumi, pubblicato l'8 febbraio , 2024, in ACS Materiali energetici applicati.

Questa ricerca è stata supportata da JST SPRING, con il numero di sovvenzione JPMJSP2102.