I miglioramenti a una classe di elettroliti per batterie introdotti per la prima volta nel 2017 - elettroliti a gas liquefatto - potrebbero aprire la strada a un progresso ad alto impatto e a lungo cercato per le batterie ricaricabili:la sostituzione dell'anodo di grafite con un anodo di litio-metallo.

La ricerca, pubblicato il 1 luglio 2019 dalla rivista Joule , si basa sulle innovazioni riportate per la prima volta in Scienza nel 2017 dallo stesso gruppo di ricerca della University of California San Diego e dalla spinout universitaria South 8 Technologies.

Trovare modi convenienti per sostituire l'anodo di grafite nelle batterie commerciali agli ioni di litio è di grande interesse perché potrebbe portare a batterie più leggere in grado di immagazzinare più carica, attraverso un aumento del 50 percento della densità di energia a livello di cella. L'aumento della densità di energia deriverebbe da una combinazione di fattori tra cui l'elevata capacità specifica dell'anodo di litio-metallo, basso potenziale elettrochimico, e peso leggero (bassa densità).

Di conseguenza, il passaggio agli anodi al litio-metallo amplierebbe notevolmente la gamma dei veicoli elettrici e ridurrebbe il costo delle batterie utilizzate per lo stoccaggio in rete, ha spiegato Shirley Meng, professoressa di nanoingegneria della UC San Diego, un autore corrispondente sul nuovo articolo in Joule .

Però, fare il passaggio comporta sfide tecniche. L'ostacolo principale è che gli anodi in metallo di litio non sono compatibili con gli elettroliti convenzionali. Quando questi anodi sono accoppiati con elettroliti convenzionali sorgono due problemi di vecchia data:bassa efficienza del ciclo e crescita dei dendriti.

Quindi l'approccio di Meng e colleghi è stato quello di passare a un elettrolita più compatibile, chiamati elettroliti di gas liquefatto.

Elettroliti di gas liquefatto in azione

Uno degli aspetti allettanti di questi elettroliti gassosi liquefatti è che funzionano sia a temperatura ambiente che a temperature estremamente basse, fino a meno 60 C. Questi elettroliti sono costituiti da solventi gassosi liquefatti, gas che vengono liquefatti a pressioni moderate, che sono molto più resistenti al congelamento rispetto agli elettroliti liquidi standard.

Nel giornale del 2019 in Joule , i ricercatori riferiscono su come, attraverso studi sia sperimentali che computazionali, migliorano la loro comprensione su alcune delle carenze della chimica dell'elettrolita del gas liquefatto. Con questa conoscenza, sono stati in grado di personalizzare i loro elettroliti di gas liquefatto per migliorare le prestazioni nelle metriche chiave per gli anodi di litio-metallo, sia a temperatura ambiente che a meno 60 C.

Nei test delle semicelle al litio-metallo, il team riferisce che l'efficienza di ciclo dell'anodo (efficienza coulombiana) era del 99,6% per 500 cicli di carica a temperatura ambiente. Questo è in aumento rispetto all'efficienza ciclistica del 97,5% riportata nel 2017 Scienza carta, e un'efficienza di ciclo dell'85% per anodi in metallo di litio con un elettrolita convenzionale (liquido).

A meno 60 C, il team ha dimostrato un'efficienza del ciclo dell'anodo di litio-metallo del 98,4 percento. In contrasto, la maggior parte degli elettroliti convenzionali non funziona al di sotto di meno 20 C.

Gli strumenti di simulazione e caratterizzazione del team dell'UC San Diego, molti sviluppati nel Laboratorio per l'immagazzinamento e la conversione dell'energia guidato da Shirley Meng, consentire ai ricercatori di spiegare perché gli anodi di litio metallico hanno prestazioni migliori con gli elettroliti di gas liquefatto. Almeno parte della risposta ha a che fare con il modo in cui le particelle di litio si depositano sulla superficie dell'anodo metallico.

I ricercatori riportano la deposizione liscia e compatta di particelle di litio su anodi di litio-metallo quando vengono utilizzati elettroliti di gas liquefatto. In contrasto, quando si utilizzano elettroliti convenzionali, dendriti aghiformi si formano sull'anodo di litio metallico. Questi dendriti possono degradare l'efficienza, causare cortocircuiti, e portare a gravi minacce alla sicurezza.

Una misura della densità delle particelle di litio che si depositano sulle superfici dell'anodo è la porosità. Più bassa è la porosità, meglio è. Il team di ricerca riporta in Joule che la porosità della deposizione di particelle di litio su un anodo metallico è dello 0,90% a temperatura ambiente utilizzando elettroliti di gas liquefatto a temperatura ambiente. La porosità in presenza di elettroliti convenzionali sale al 16,8 percento.

La corsa all'elettrolita giusto

Attualmente c'è una grande spinta per trovare o migliorare gli elettroliti che sono compatibili con l'anodo di litio metallico e sono competitivi in ​​termini di costi, sicurezza, e intervallo di temperatura. I gruppi di ricerca si sono occupati principalmente di solventi altamente concentrati (liquidi) o elettroliti allo stato solido, ma attualmente non ci sono proiettili d'argento.

"Come parte della comunità di ricerca sulle batterie, Sono fiducioso che svilupperemo gli elettroliti di cui abbiamo bisogno per gli anodi di litio-metallo. Spero che questa ricerca ispiri più gruppi di ricerca a prendere seriamente in considerazione gli elettroliti di gas liquefatto, " disse Meng.

Meng è anche l'autore corrispondente di un articolo correlato nel numero di maggio 2019 di Tendenze in chimica "Problemi chiave nell'ostacolare un pratico anodo di metallo al litio".