Un team di ricerca della Florida State University e della Cornell University ha scoperto che le batterie costruite con componenti economici e sicuri possono fornire da tre a quattro volte la potenza delle batterie costruite con la moderna tecnologia agli ioni di litio.

Il lavoro dei ricercatori è pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura .

A. Nijamudheen, un ricercatore post-dottorato presso il FAMU-FSU College of Engineering, e Snehashis Choudhury, uno studente di dottorato alla Cornell University, insieme ai docenti di entrambe le istituzioni ha intrapreso un'ambiziosa indagine su cosa ostacola l'attuale progettazione della batteria e su come migliorarla.

"Se si guarda al costo delle batterie nel tempo, non sorprende vedere che il vettore è costantemente puntato verso l'alto, " Choudhury ha detto. "L'adozione su vasta scala di tecnologie che richiedono batterie richiedono costi inferiori".

Con la speranza di abbattere quei costi, i ricercatori hanno affrontato alcuni problemi specifici relativi agli elettroliti, una parte critica della costruzione di una batteria che promuove il movimento degli ioni da un elettrodo all'altro.

I team hanno cercato di capire i percorsi chimici attraverso i quali gli elettroliti si degradano agli elettrodi della batteria. I ricercatori non solo hanno identificato i meccanismi di degradazione degli elettroliti, hanno anche scoperto molteplici strategie per rimediare al problema.

"Abbiamo scoperto che il controllo delle proprietà ioniche delle interfasi formate all'elettrodo negativo è la chiave, " ha detto Nijamudheen.

Utilizzando calcoli quantistici, Nijamudheen e il suo consigliere, Professore assistente FAMU-FSU di ingegneria chimica Jose Mendoza-Cortes, scoperto che il problema deriva dal modo in cui un componente degli elettroliti chiamato diglima subisce la polimerizzazione. La polimerizzazione è un processo in cui le molecole si combinano chimicamente per produrre una molecola a catena lunga chiamata polimero.

Nel caso delle batterie, gli elettroliti spesso si rompono e si riformano per creare molecole molto più grandi dopo un contatto prolungato con gli elettrodi sia negativo che positivo di una batteria.

"Mentre il processo di degradazione stesso è innocuo, i suoi sottoprodotti impediscono agli ioni di accedere agli elettrodi della batteria, che nel tempo riduce la quantità di energia immagazzinata che può essere recuperata da una batteria, " ha detto Lynden Archer, un professore della Cornell University e consigliere di Choudhury.

Però, mentre alcuni tipi di polimeri risultanti da questo processo impedirebbero agli ioni di raggiungere gli elettrodi, altri si sono dimostrati efficaci nel prolungare la durata della batteria.

Con i loro calcoli di polimerizzazione in mano, i ricercatori hanno iniziato a studiare altri tipi di elettroliti in cui il processo di polimerizzazione non avrebbe impedito le prestazioni della batteria.

Tipicamente, le batterie al litio sono realizzate con elettroliti di carbonato organico, ma questi elettroliti sono altamente infiammabili. La costosa infrastruttura di regolazione termica che fornisce il raffreddamento delle celle della batteria surriscaldate è quindi obbligatoria per ridurre i rischi di fughe termiche e incendi della batteria.

I ricercatori hanno invece testato un elettrolita di nitrato di litio, un elettrolita stabile che non era infiammabile.

Usando quell'elettrolita, i ricercatori hanno iniziato a condurre esperimenti sull'interfase dell'elettrolita solido o SEI. Il SEI è uno strato protettivo formato sull'elettrodo negativo a seguito della decomposizione dell'elettrolita, di solito durante il primo ciclo di una batteria.

"Una volta che hai un buon SEI, hai una buona batteria, " disse Mendoza-Cortes, che è anche assistente professore presso il FAMU-FSU College of Engineering. "L'idea è di trovare un elettrolita e un solvente che possano formare un SEI che possa essere stabile e giocare a tuo favore".

I ricercatori hanno progettato un nuovo tipo di SEI che si forma spontaneamente in una cella di batteria utilizzando sale sacrificale o specie molecolari introdotte tramite gli elettroliti. Hanno anche introdotto agenti di trasferimento di catena, una serie di molecole, che hanno interagito con il diglima per formare uno scudo che protegge l'elettrodo caricato negativamente dalla degradazione.

Per valutare l'efficacia del progetto, il team di ricerca ha eseguito una serie di esperimenti sulla capacità della batteria di essere utilizzata e poi ricaricata. Hanno scoperto che potrebbe passare attraverso circa 2, 000 cicli, ben al di sopra dei convenzionali 300-500 cicli di carica associati alla maggior parte delle batterie agli ioni di litio.

"Con questo processo, potremmo ottenere un'efficienza senza precedenti per questo tipo di sistema, " Mendoza-Cortes ha detto. "La linea di fondo è che abbiamo migliorato il SEI. Ciò significherebbe più potenza che dura più a lungo. C'è molto potenziale lì".