Un film di nitruro di boro artificiale (BN) è chimicamente e meccanicamente robusto contro il litio. Isola elettronicamente il litio alluminio titanio fosfato (LATP) dal litio, ma fornisce ancora vie ioniche stabili quando infiltrato da ossido di polietilene (PEO), e quindi consente un ciclismo stabile. Credito:Qian Cheng/Columbia Engineering
La grande sfida per migliorare lo stoccaggio di energia e aumentare la durata della batteria, pur garantendo un funzionamento sicuro, sta diventando sempre più critico poiché diventiamo sempre più dipendenti da questa fonte di energia per qualsiasi cosa, dai dispositivi portatili ai veicoli elettrici. Un team di Columbia Engineering guidato da Yuan Yang, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, ha annunciato oggi di aver sviluppato un nuovo metodo per prolungare in sicurezza la durata della batteria inserendo un nanorivestimento di nitruro di boro (BN) per stabilizzare gli elettroliti solidi nelle batterie al litio metallico. I loro risultati sono delineati in un nuovo studio pubblicato da Joule .
Mentre le batterie convenzionali agli ioni di litio (Li-ion) sono attualmente ampiamente utilizzate nella vita quotidiana, hanno una bassa densità di energia, con conseguente riduzione della durata della batteria, e, a causa dell'elettrolita liquido altamente infiammabile al loro interno, possono andare in cortocircuito e persino prendere fuoco. La densità energetica potrebbe essere migliorata utilizzando il litio metallico per sostituire l'anodo di grafite utilizzato nelle batterie agli ioni di litio:la capacità teorica del litio metallico per la quantità di carica che può fornire è quasi 10 volte superiore a quella della grafite. Ma durante la placcatura al litio, spesso si formano dendriti e se penetrano nel separatore a membrana al centro della batteria, possono creare cortocircuiti, sollevando preoccupazioni sulla sicurezza della batteria.
"Abbiamo deciso di puntare su solidi, elettroliti ceramici. Mostrano una grande promessa nel migliorare sia la sicurezza che la densità energetica, rispetto al convenzionale, elettroliti infiammabili nelle batterie agli ioni di litio, ", afferma Yang. "Siamo particolarmente interessati alle batterie al litio ricaricabili allo stato solido perché sono candidati promettenti per lo stoccaggio di energia di prossima generazione".
La maggior parte degli elettroliti solidi sono ceramici, e quindi non infiammabile, eliminando i problemi di sicurezza. Inoltre, gli elettroliti ceramici solidi hanno un'elevata resistenza meccanica che può effettivamente sopprimere la crescita dei dendriti di litio, rendendo il litio metallico un'opzione di rivestimento per gli anodi delle batterie. Però, la maggior parte degli elettroliti solidi sono instabili contro il litio:possono essere facilmente corrosi dal metallo di litio e non possono essere utilizzati nelle batterie.
L'immagine a sinistra mostra che un pellet di litio alluminio titanio fosfato (LATP) che tocca il litio metallico verrà immediatamente ridotto. La grave reazione secondaria tra il litio e l'elettrolita solido farà fallire la batteria in diversi cicli. La destra mostra che una pellicola BN artificiale è chimicamente e meccanicamente robusta contro il litio. Isola elettronicamente LATP dal litio, ma fornisce ancora vie ioniche stabili quando infiltrato da ossido di polietilene (PEO), e quindi consente un ciclismo stabile. Credito:Qian Cheng/Columbia Engineering
"Il litio metallico è indispensabile per aumentare la densità energetica, quindi è fondamentale poterlo utilizzare come anodo per gli elettroliti solidi, "dice Qian Cheng, l'autore principale del documento e uno scienziato ricercatore post-dottorato nel dipartimento di fisica applicata e matematica applicata che lavora nel gruppo di Yang. "Per adattare questi elettroliti solidi instabili per applicazioni reali, avevamo bisogno di sviluppare un'interfaccia chimicamente e meccanicamente stabile per proteggere questi elettroliti solidi contro l'anodo di litio. È essenziale che l'interfaccia non solo sia altamente isolante elettronicamente, ma anche ionicamente conduttivo per trasportare ioni di litio. Più, questa interfaccia deve essere super sottile per evitare di ridurre la densità energetica delle batterie".
Per affrontare queste sfide, il team ha lavorato con i colleghi del Brookhaven National Lab e della City University di New York. Hanno depositato un nanofilm di nitruro di boro (BN) da 5~10 nm come strato protettivo per isolare il contatto elettrico tra il litio metallico e il conduttore ionico (l'elettrolita solido), insieme a una traccia di polimero o elettrolita liquido per infiltrarsi nell'interfaccia elettrodo/elettrolita. Hanno scelto BN come strato protettivo perché è chimicamente e meccanicamente stabile con il litio metallico, fornendo un alto grado di isolamento elettronico. Hanno progettato lo strato BN per avere difetti intrinseci, attraverso il quale possono passare gli ioni di litio, permettendogli di fungere da ottimo separatore. Inoltre, BN può essere prontamente preparato mediante deposizione chimica da vapore per formare su larga scala (livello ~ dm), scala atomicamente sottile (livello ~nm), e film continui.
"Mentre studi precedenti utilizzavano strati di protezione polimerici spessi fino a 200 μm, il nostro film protettivo BN, a soli 5~10 nm di spessore, è sottile come un record, al limite di tali strati di protezione, senza abbassare la densità energetica delle batterie, " Dice Cheng. "È il materiale perfetto per funzionare come una barriera che impedisce l'invasione del metallo di litio nell'elettrolita solido. Come un giubbotto antiproiettile, abbiamo sviluppato un "gilet" a prova di litio-metallo per elettroliti solidi instabili e, con quell'innovazione, ottenuto batterie al litio metallico a lunga durata."
I ricercatori stanno ora estendendo il loro metodo a un'ampia gamma di elettroliti solidi instabili e ottimizzano ulteriormente l'interfaccia. Si aspettano di fabbricare batterie a stato solido con prestazioni elevate e cicli di vita lunghi.
