Progettazione razionale del solvente elettrolitico multifunzionale. Le importanti funzioni di tolleranza all'alta tensione (stabilità all'ossidazione e formazione di SEI) e non infiammabilità sono assegnate a ciascuna parte della struttura molecolare. Credito:Zheng et al.
Alla luce del passaggio in corso verso le tecnologie delle energie rinnovabili e del crescente numero di dispositivi Internet of Things (IoT), i ricercatori di tutto il mondo hanno cercato di sviluppare batterie in grado di funzionare in modo più efficiente e per periodi di tempo più lunghi. Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono attualmente la tecnologia di accumulo di energia preferita per l'elettronica portatile, poiché contengono elettroliti organici, che tipicamente consentono tensioni di esercizio e densità di energia elevate.
Nonostante il loro uso diffuso, aumentare ulteriormente le prestazioni dei LIB esistenti potrebbe avere un impatto significativo sulla loro sicurezza. Infatti, queste batterie contengono carbonati organici altamente volatili e infiammabili, quale, se acceso, può causare danni considerevoli.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno compiuto sforzi significativi per superare questi problemi di sicurezza, ad esempio, utilizzando sostanze aggiuntive o ottimizzando i materiali che separano i componenti della batteria. Sebbene alcune di queste strategie abbiano ridotto con successo il rischio di incendio della batteria, purché i LIB siano realizzati con elettroliti altamente infiammabili, possono ancora verificarsi incidenti.
Nella speranza di aprire la strada a LIB più sicuri e con prestazioni migliori, i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno recentemente progettato e sintetizzato un elettrolita ciclico alternativo a base di fosfato che non è infiammabile. Il loro elettrolita, presentato in un articolo pubblicato in Energia della natura , consente sicurezza, funzionamento altamente stabile e alta tensione, superando i solventi contenuti nella maggior parte dei LIB esistenti.
"Il solvente elettrolitico per le batterie agli ioni di litio (LIB) è rimasto invariato per quasi 30 anni, " Prof. Atsuo Yamada, uno dei ricercatori che ha sviluppato il nuovo elettrolita, ha detto a TechXplore. "Pensiamo quindi che dovrebbe esserci ampio spazio per lo sviluppo di LIB avanzati, se troviamo un solvente alternativo. Con questo in testa, sotto la guida del Prof. Makoto Gonokami, presidente dell'Università di Tokyo, abbiamo avviato una collaborazione con il Prof. Eiichi Nakamura, che è un ricercatore affermato nel campo della sintesi organica, progettare un nuovo solvente elettrolitico con l'obiettivo di aumentare le prestazioni e la sicurezza della batteria."
Yamada, Nakamura e i loro colleghi hanno progettato il loro elettrolita ciclico a base di fosfato fondendo le strutture chimiche del solvente elettrolitico convenzionale EC e un ritardante di fiamma. Questo dà le proprietà di fosfato di entrambe le molecole, compresa la tolleranza all'alta tensione del solvente e la non infiammabilità del ritardante di fiamma, riducendo al minimo il rischio di incendio dei LIB.
Quando si sintetizza l'elettrolita, i ricercatori hanno scoperto che la formula più efficace conteneva 0,95 M LiN (SO 2 F) 2 nel TFEP/2, 2, 2-trifluoroetilmetilcarbonato. Questa specifica composizione ha permesso la sintesi di un elettrolita con notevole non infiammabilità e tempo di autoestinguenza pari a zero, così come il funzionamento stabile di anodi di grafite e LiNi . ad alta tensione 0,5 mn 1.5 oh 4 catodi.
"Inaspettatamente, il nuovo solvente elettrolitico può aumentare la tensione della batteria dagli attuali 3,8 V a 4,6 V e anche migliorare la durata della batteria, " Il prof. Yamada ha detto. "Siamo rimasti sorpresi nel vedere che il solvente progettato ha effettivamente mostrato sia la tolleranza all'alta tensione che la capacità ignifuga, come ci aspettavamo dalla sua struttura chimica. È importante sottolineare che questo è il primo caso in cui una progettazione così razionale delle strutture chimiche è riuscita negli elettroliti delle batterie".
Yamada, Nakamura, e i loro colleghi sono tra i primi a identificare un solvente elettrolitico alternativo che potrebbe aumentare la sicurezza dei LIB e allo stesso tempo migliorare le loro prestazioni. Nel futuro, il loro elettrolita ciclico a base di fosfato potrebbe essere utilizzato per creare batterie sicure e altamente efficienti per un'ampia gamma di dispositivi elettronici.
"Speriamo che il nostro lavoro stimolerà molti ricercatori a progettare e sviluppare una varietà di nuovi materiali per batterie migliori, "Il prof. Yamada ha affermato. "Ora abbiamo in programma di continuare a lavorare su questo nuovo solvente elettrolitico per applicazioni commerciali per batterie e sviluppare nuovi materiali per batterie multifunzionali in base alla nostra strategia di progettazione".
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