Schema della Li-wax-PEO e della sua stabilità nell'aria e nell'acqua. Credito:Science China Press
L'anodo in metallo di litio offre un percorso promettente per aggiornare la densità di energia delle batterie agli ioni di litio per la sua elevata capacità specifica (3800 mAh g-1) e la bassa tensione (-3,04 V rispetto a Li/Li+). Ma i problemi di sicurezza causati dalla crescita dei dendriti e dall'instabilità nell'aria causata dalla sua elevata attività chimica limitano il suo uso su larga scala come materiale per elettrodi. Il litio metallico è altamente sensibile all'umidità e ai componenti ossidativi nell'aria, portando alla generazione di prodotti isolanti come idrossidi di litio sulla sua superficie e al conseguente deterioramento delle prestazioni elettrochimiche. Inoltre, quando il litio entra in contatto con l'acqua, combustione ed esplosione possono verificarsi a causa della produzione di idrogeno e calore. La sensibilità del litio metallico richiede quindi requisiti rigorosi per il trasporto, stoccaggio e processo di anodo di litio metallico. È quindi altamente desiderabile sviluppare un anodo in metallo di litio stabile all'aria e impermeabile per un potenziale utilizzo in futuro.
Nel campo dell'elettronica, le tecnologie di imballaggio proteggono i componenti elettronici da danni fisici e corrosione in aria umida e acqua con un rivestimento, che fornisce impulso progettuale per la protezione del metallo di litio. Recentemente, un team di ricerca guidato dal Prof. Quan-Hong Yang dell'Università di Tianjin e dal Prof. Wei Lv dell'Università di Tsinghua ha sviluppato un rivestimento in cera-PEO per superfici in metallo di litio utilizzando un semplice metodo di rivestimento per immersione per realizzare un anodo in metallo di litio stabile all'aria e impermeabile. La cera come materiale sigillante inerte comunemente usato viene facilmente rivestita sulla superficie del metallo al litio. Questo rivestimento composito a base di cera previene le reazioni avverse del litio metallico nell'aria e nell'acqua. Nelle batterie, il rivestimento ritarda l'attacco dell'elettrolita alla superficie degli anodi metallici di litio mentre il PEO omogeneamente distribuito garantisce una conduzione uniforme degli ioni di litio all'interfaccia e inibisce la crescita dei dendriti di litio.
Sotto la protezione del rivestimento in cera-PEO, le superfici al litio rimangono inalterate nell'aria con elevata umidità relativa del 70% per 24 ore, e si ottiene un'elevata capacità di ritenzione dell'85%. Anche contattando immediatamente il litio con l'acqua, non si è verificata alcuna combustione o decadimento della capacità. L'anodo di metallo al litio rivestito rimane stabile fino a 500 ore in celle simmetriche, e le batterie al litio-zolfo assemblate con l'anodo di metallo al litio rivestito mostrano un basso tasso di decadimento della capacità dello 0,075% per ciclo per 300 cicli. Questo lavoro dimostra un'efficiente tecnologia di confezionamento per anodi di metallo al litio stabili all'aria e impermeabili. È anche facilmente scalabile e applicabile ad altri materiali per elettrodi sensibili.
Prestazioni elettrochimiche di Li-cera-PEO e Li in celle simmetriche e batterie al litio-zolfo. Credito:Science China Press