Scienziati della Tohoku University e dell'High Energy Accelerator Research Organization hanno sviluppato un nuovo complesso conduttore superionico al litio idruro che potrebbe portare a batterie completamente allo stato solido con la più alta densità di energia fino ad oggi. I ricercatori dicono che il nuovo materiale, ottenuto progettando strutture di cluster di idrogeno (anioni complessi), mostra una stabilità notevolmente elevata contro il metallo di litio, che lo renderebbe il materiale anodico definitivo per le batterie a stato solido.

Le batterie completamente allo stato solido che incorporano un anodo di litio metallico hanno il potenziale per affrontare i problemi di densità energetica delle batterie convenzionali agli ioni di litio. Ma fino ad ora, il loro uso in celle pratiche è stato limitato dall'elevata resistenza al trasferimento di ioni di litio, causato principalmente dall'instabilità dell'elettrolita solido contro il litio metallico. Questo nuovo elettrolita solido che mostra un'elevata conduttività ionica e un'elevata stabilità contro il metallo di litio rappresenta quindi una vera svolta per le batterie a stato solido che utilizzano un anodo di metallo di litio.

"Ci aspettiamo che questo sviluppo non solo ispiri gli sforzi futuri per trovare conduttori superionici al litio basati su idruri complessi, ma anche aprire una nuova tendenza nel campo dei materiali elettrolitici solidi che possono portare allo sviluppo di dispositivi elettrochimici ad alta densità di energia, ", ha affermato Sangryun Kim del gruppo di ricerca di Shin-ichi Orimo presso l'Università di Tohoku.

Sfondo:

Le batterie a stato solido sono candidati promettenti per risolvere gli svantaggi intrinseci delle attuali batterie agli ioni di litio, come perdite di elettroliti, infiammabilità e densità di energia limitata. Il metallo di litio è ampiamente ritenuto il materiale anodico definitivo per tutte le batterie a stato solido perché ha la capacità teorica più elevata (3860 mAh g ^-1 ) e il potenziale più basso (-3,04 V rispetto all'elettrodo a idrogeno standard) tra i materiali anodici noti.

Gli elettroliti solidi conduttori di ioni di litio sono un componente chiave delle batterie a stato solido perché la conduttività ionica e la stabilità dell'elettrolita solido determinano le prestazioni della batteria. Il problema è che la maggior parte degli elettroliti solidi esistenti presenta instabilità chimica/elettrochimica e/o scarso contatto fisico con il litio metallico, inevitabilmente causando reazioni collaterali indesiderate all'interfaccia. Queste reazioni collaterali determinano un aumento della resistenza interfacciale, degradando notevolmente le prestazioni della batteria durante i cicli ripetuti.

Come rivelato da studi precedenti, che ha proposto strategie come legare il metallo di litio e la modifica dell'interfaccia, questo processo di degradazione è molto difficile da affrontare perché la sua origine è l'elevata reattività termodinamica dell'anodo di litio metallico con l'elettrolita. Le principali sfide nell'utilizzo dell'anodo di litio metallico sono l'elevata stabilità e l'elevata conduttività agli ioni di litio dell'elettrolita solido.

"Gli idruri complessi hanno ricevuto molta attenzione nell'affrontare i problemi associati all'anodo di litio metallico a causa della loro eccezionale stabilità chimica ed elettrochimica contro l'anodo di litio metallico, " ha detto Kim. "Ma a causa della loro bassa conduttività ionica, l'utilizzo di idruri complessi con l'anodo di litio metallico non è mai stato tentato nelle batterie pratiche. Quindi eravamo molto motivati ​​a vedere se lo sviluppo di idruri complessi che mostrano una conduttività superionica al litio a temperatura ambiente può consentire l'uso dell'anodo di litio metallico. E ha funzionato".