Un team di ricercatori della Shinshu University di Nagano, Il Giappone è ora più vicino a un sottile, batteria agli ioni di litio ad alta capacità che potrebbe aprire la porta a migliori sistemi di accumulo di energia per i veicoli elettrici. Il gruppo di ricerca è stato guidato dal professor Katsuya Teshima, direttore del Center for Energy and Environmental Science (CEES) presso l'Università di Shinshu in Giappone. Hanno pubblicato i loro approfondimenti online ad agosto in Rapporti scientifici .

"Le batterie agli ioni di litio sono sistemi di accumulo di energia molto promettenti per i veicoli elettrici che richiedono densità di energia relativamente elevate, " ha detto l'autore Nobuyuki Zettsu, professore al CEES e al Dipartimento di Chimica dei Materiali dell'Università di Shinshu. "Però, le loro elevate tensioni di esercizio provocano comunemente la decomposizione ossidativa della superficie dell'elettrodo, che successivamente promuove varie reazioni collaterali."

Le batterie agli ioni di litio immagazzinano molta energia, ma la forza necessaria per far disperdere l'energia della batteria è troppa, così tanta, infatti, che il danno risultante fa perdere alla batteria la capacità di immagazzinamento.

Per combattere questo problema, Zettsu e colleghi hanno esaminato le proprietà elettriche ed elettrochimiche dell'alta tensione (> 4,8 V, vs Li+/Li) catodo, dove gli elettroni entrano nella cella della batteria.

"Molti ricercatori hanno tentato di mitigare l'attenuazione della capacità osservata attraverso la riduzione dell'area di contatto diretto, "Zettsu ha detto, indicando progetti di ricerca in cui gli scienziati coprivano la superficie del catodo con materiali diversi nel tentativo di ridurre l'erosione. "Sono stati condotti vari studi fondamentali per studiare gli effetti della modifica del rivestimento superficiale; tuttavia, nessuno di questi ha portato a un notevole miglioramento delle prestazioni delle celle della batteria basate su catodo ad alta tensione."

Zettsu potrebbe aver invertito la tendenza sui modificatori di superficie attraverso l'uso di un monostrato autoassemblato. Il suo team ha applicato un rivestimento ultrasottile di fluoroalchilisilano sulla superficie dei catodi. Fluoroalchilisilano, un tipo di silicone, si organizza nella disposizione più efficiente per condurre gli ioni di litio e isolare gli elettroni pur rimanendo spesso solo un atomo.

"Abbiamo scoperto... che rivestire la superficie del materiale attivo con un monostrato autoassemblato... ha promosso un trasporto efficiente all'interno degli elettrodi, sopprimendo anche le reazioni collaterali che si verificano all'interfaccia tra elettrodo ed elettrolita, " Ha detto Zettsu. "Questo rivestimento ha fornito un miglioramento sia della densità di potenza che della ciclabilità nelle batterie agli ioni di litio ad alta tensione".

I ricercatori hanno visto che il contatto diretto tra il catodo e l'elettrolita che entrava nella batteria era ridotto al minimo, e che la capacità della batteria non si è degradata anche dopo essere stata ciclata cento volte.

"I rivestimenti monostrato autoassemblati depositati hanno ridotto la barriera di attivazione per il trasferimento di ioni di litio e stabilizzato gli ioni vicino alla superficie, che ha influenzato positivamente le reazioni elettrochimiche che si verificano all'interfaccia tra l'elettrodo e l'elettrolita, " Ha detto Zettsu. "I rivestimenti di stabilizzazione della superficie rappresentano una tecnologia rivoluzionaria per lo sviluppo di materiali catodici ad alta tensione senza la limitazione del dilemma elettrochimico dell'efficienza rispetto alla stabilizzazione".

Però, Zettsu ha detto, gli effetti completi prodotti dal rivestimento superficiale sull'intero sistema di batterie devono essere esaminati in maggior dettaglio per comprendere meglio eventuali potenziali effetti collaterali negativi.

"I nostri risultati possono fornire nuove direzioni per la progettazione di batterie agli ioni di litio basate su sistemi ad alta tensione con prestazioni elettrochimiche superiori, " disse Zettsu.

Zettsu prevede di introdurre questa tecnologia di trattamento delle superfici sul mercato entro il 2022 in collaborazione con i produttori di automobili e celle, con l'obiettivo di creare batterie ad alta energia che siano anche rispettose dell'ambiente.

"A causa delle normative ambientali mondiali, la spinta verso le automobili elettriche e ibride procede a ritmo sostenuto. Il livello di prestazioni richiesto per le batterie agli ioni di litio è molto elevato, " ha detto Zettsu. "Attualmente, stiamo lavorando alla produzione di vere celle di batteria per veicoli ibridi plug-in e veicoli elettrici a batteria utilizzando il processo di rivestimento ed esperimenti in modalità di guida automatica".