Qui ci sono molecole di elettroliti sottaceto (PF 2 OSiMe 3 ) legandosi ai centri di reazione sulla superficie del catodo. Per le molecole sferiche attaccate alla superficie del catodo, il verde oliva indica il fosforo (P); viola, fluoro (F); rosso, ossigeno (O); e struttura al di sopra dell'ossigeno, SiMe3. (Immagine del Laboratorio Nazionale Argonne / Juan C. Garcia
I ricercatori delle batterie del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory hanno scoperto un'importante reazione chimica che ricorda il metodo utilizzato per preparare i sottaceti. La reazione fornisce informazioni chiave sul comportamento di un comune additivo elettrolitico utilizzato per aumentare le prestazioni.
Il sistema di accumulo di energia preferito dai veicoli elettrici è la batteria agli ioni di litio. In tutte le batterie dei veicoli elettrici, più energia immagazzinata, più lungo è il campo pratica. Attualmente, però, il catodo limita la capacità massima di accumulo di energia della batteria agli ioni di litio. Il superamento di tale limitazione richiede materiali catodici che abbiano un'elevata capacità e funzionino ad alta tensione. Sebbene tali materiali siano stati identificati, il loro uso a lungo termine rimane problematico, perché degradano l'elettrolita liquido a contatto con il catodo eccitato durante il ciclo di carica-scarica della cella agli ioni di litio.
Un mezzo ben noto per risolvere questo problema è l'inserimento di un additivo che migliora le prestazioni nell'elettrolita liquido. Questo additivo modifica la superficie del catodo formando uno strato protettivo che blocca la decomposizione dell'elettrolita. Uno di questi additivi comuni, dimostrato di essere efficace, è il tris(trimetilsilil)fosfito, meglio conosciuto come TMSPi. Il meccanismo alla base del suo effetto benefico era stato un mistero, fino a quel momento.
Il nuovo sorprendente risultato è che la stessa molecola TMSPi non è direttamente coinvolta nella protezione del catodo. Il componente attivo è una molecola diversa, PF 2 OSiMe 3 , che è chimicamente derivato da TMSPi e rappresentato strutturalmente nell'immagine a sinistra.
Questo composto, uno tra molti di questi prodotti, si forma lentamente quando il sale di litio nell'elettrolita reagisce con TMSPi. Uno degli autori delle Argonne, Scienziato senior dei materiali Daniel Abraham, paragonato il processo "alla fermentazione anaerobica dei cetrioli in salamoia, che ci dà gustosi sottaceti."
Nella loro ricerca, Abraham ei suoi colleghi hanno dimostrato che questo "decapaggio" offre diversi effetti benefici. Il prodotto di reazione riduce l'aumento della resistenza elettrica che normalmente si verifica nella cella della batteria durante il ciclo di carica-scarica. Un rallentamento indesiderato degli ioni di litio che si muovono tra catodo e anodo e un cambiamento irreversibile nella composizione del catodo innescano l'aumento della resistenza; diminuendo l'aumento della resistenza è possibile caricare e scaricare rapidamente la cella agli ioni di litio.
Il prodotto TMPSi riduce anche la dannosa perdita del metallo di transizione (tipicamente cobalto o manganese) nel materiale del catodo. Dopo essere fuggito dal catodo, gli ioni del metallo di transizione passano attraverso l'elettrolita all'anodo, degradando le sue prestazioni durante il ciclismo prolungato. Il prodotto TMPSi non solo limita la perdita di metalli di transizione, ma riduce anche il verificarsi di correnti parassite che degradano il processo di carica-scarica.
"La chiave del successo in questo studio è stata l'identificazione dell'origine di questi effetti benefici, " ha aggiunto Abraham. Ha elaborato che gli studi computazionali del suo team hanno rivelato che il prodotto di reazione PF 2 OSiMe 3 si lega fortemente ai centri di reazione sulla superficie del catodo senza causare la dannosa rimozione di ossigeno dalla superficie. Questa molecola legata alla superficie può reagire ulteriormente con l'elettrolita, trasformandosi in una molecola legante ancora più forte che ricopre permanentemente i centri di reazione sul catodo, stabilizzare l'interfaccia tra l'elettrolita liquido e l'elettrodo solido. "Di conseguenza, "Abramo riferisce, "Le prestazioni della batteria migliorano effettivamente con l'invecchiamento dell'additivo elettrolitico TMPSi."
Abraham riferisce anche che questo studio di ricerca in fase iniziale ha un'importante applicazione pratica. "Ora che abbiamo compreso meglio il meccanismo dell'azione catodica protettiva del fosfito, possiamo essere più sistematici nel trovare nuovi modi per ottenere e migliorare questo decapaggio dell'additivo elettrolitico".
Un articolo recentemente pubblicato su The Giornale di chimica fisica , intitolato "Decapaggio chimico degli additivi fosfati che mitiga l'aumento dell'impedenza nelle batterie agli ioni di litio, " descrive il lavoro.
