Disponibile in commercio dagli anni '70, la batteria agli ioni di litio è ora la fonte di alimentazione del cavallo di battaglia in molte applicazioni. Può essere trovato nei telefoni cellulari, computer portatili e veicoli elettrici. Ancora, gran parte della scienza di base che si svolge a livello atomico e molecolare durante la carica e la scarica rimane un mistero.

In un nuovo studio pubblicato su Catalisi della natura , un team dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) riporta una svolta nella comprensione della chimica dello strato microscopicamente sottile che si forma all'interfaccia tra l'elettrolita liquido e l'elettrodo solido. I ricercatori di batterie si riferiscono comunemente a questo strato come "interfase di elettrolita solido" o SEI.

Molto lavoro scientifico negli ultimi decenni è stato dedicato alla comprensione del SEI nella batteria agli ioni di litio. Gli scienziati sanno che il SEI si forma sull'elettrodo negativo di grafite, è estremamente sottile (meno di un millesimo di millimetro), e prende forma principalmente durante la prima carica della batteria. È anche noto che il SEI impedisce che si verifichino reazioni dannose all'interfaccia, consentendo allo stesso tempo agli importanti ioni di litio di muoversi liberamente tra l'elettrolita e l'elettrodo.

Tutte le buone batterie agli ioni di litio hanno SEI ben funzionanti. Come ha notato Dusan Strmcnik, un investigatore co-principale e assistente ingegnere chimico nella divisione Scienza dei materiali (MSD), "Le prestazioni della batteria dipendono fortemente dalla qualità del SEI. Se si comprendono la chimica e il ruolo dei singoli componenti del SEI, il SEI potrebbe essere sintonizzato per migliorare le prestazioni della batteria."

"Ma ancora più importante, tale comprensione migliorerebbe significativamente la nostra capacità predittiva della durata della batteria, che è di altissimo valore per un produttore di auto elettriche, " ha aggiunto Strmcnik.

Il team internazionale di ricercatori, che comprende collaboratori dell'Università di Copenaghen, la Technische Universität München in Germania e il BMW Group, decifrato la chimica dietro uno dei componenti più comuni del SEI nelle tipiche batterie agli ioni di litio, fluoruro di litio. Sulla base dei risultati sia sperimentali che computazionali, i loro risultati hanno mostrato che questa fase si forma durante la carica della batteria dalla reazione elettrochimica dell'acido fluoridrico, producendo gas idrogeno e fluoruro di litio solido.

Questa reazione dipende molto dal materiale dell'elettrodo, che potrebbe essere un metallo, grafene o materiale grafitico, e dimostra così l'importanza della catalisi nel funzionamento a batteria. Il team ha scoperto un nuovo metodo per monitorare la concentrazione di acido fluoridrico, un'impurità altamente dannosa che si forma da una reazione tra tracce di umidità e il sale (LiPF6) nell'elettrolita. Questa capacità di monitoraggio dovrebbe rivelarsi vitale per i futuri studi scientifici di base della SEI.

Ad Argonne Distinguished Fellow e co-investigatore principale Nenad Markovic, i risultati dello studio stanno già avendo un impatto commerciale. "I nostri risultati sono già stati implementati nelle celle agli ioni di litio presso il Battery Cell Competence Center del BMW Group. Apriranno anche nuove opportunità per il miglioramento di esistenti, e la progettazione di nuovi, tecnologie agli ioni di litio".

Il Catalisi della natura l'articolo è intitolato "Trasformazione elettrocatalitica dell'impurità dell'HF in H2 e LiF nelle batterie agli ioni di litio".