La crescente popolarità delle batterie agli ioni di litio negli ultimi anni ha messo a dura prova la fornitura mondiale di cobalto e nichel, due metalli parte integrante degli attuali design delle batterie, e ha provocato un'impennata dei prezzi.

Nel tentativo di sviluppare progetti alternativi per batterie a base di litio con meno dipendenza da quei metalli scarsi, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un nuovo promettente sistema catodico ed elettrolitico che sostituisce i metalli costosi e il tradizionale elettrolita liquido con fluoruri di metalli di transizione a basso costo e un elettrolita polimerico solido.

"Gli elettrodi realizzati con fluoruri di metalli di transizione hanno da tempo mostrato problemi di stabilità e guasti rapidi, portando a un significativo scetticismo sulla loro capacità di essere utilizzate nelle batterie di prossima generazione, " ha detto Gleb Yushin, un professore presso la School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech. "Ma abbiamo dimostrato che quando viene utilizzato con un elettrolita polimerico solido, i fluoruri metallici mostrano una notevole stabilità, anche a temperature più elevate, che potrebbe eventualmente portare a condizioni più sicure, batterie agli ioni di litio più leggere ed economiche."

In una tipica batteria agli ioni di litio, l'energia viene rilasciata durante il trasferimento di ioni di litio tra due elettrodi:un anodo e un catodo, con un catodo comprendente tipicamente litio e metalli di transizione come cobalto, nichel e manganese. Gli ioni scorrono tra gli elettrodi attraverso un elettrolita liquido.

Per lo studio, che è stato pubblicato il 9 settembre sulla rivista Materiali della natura e sponsorizzato dall'Ufficio Ricerche dell'Esercito, il team di ricerca ha fabbricato un nuovo tipo di catodo da materiale attivo fluoruro di ferro e un nanocomposito di elettrolita polimerico solido. I fluoruri di ferro hanno più del doppio della capacità di litio dei tradizionali catodi a base di cobalto o nichel. Inoltre, il ferro è 300 volte più economico del cobalto e 150 volte più economico del nichel.

Per produrre un tale catodo, i ricercatori hanno sviluppato un processo per infiltrare un elettrolita polimerico solido nell'elettrodo prefabbricato al fluoruro di ferro. Hanno quindi pressato a caldo l'intera struttura per aumentare la densità e ridurre eventuali vuoti.

Due caratteristiche centrali dell'elettrolita a base di polimeri sono la sua capacità di flettersi e adattarsi al rigonfiamento del fluoruro di ferro durante il ciclo e la sua capacità di formare un'interfase molto stabile e flessibile con il fluoruro di ferro. Tradizionalmente, che il gonfiore e le massicce reazioni collaterali sono stati problemi chiave con l'utilizzo del fluoruro di ferro nei precedenti progetti di batterie.

"I catodi realizzati con fluoruro di ferro hanno un potenziale enorme a causa della loro elevata capacità, bassi costi del materiale e disponibilità molto ampia di ferro, " Yushin ha detto. "Ma i cambiamenti di volume durante il ciclismo così come le reazioni collaterali parassitarie con elettroliti liquidi e altri problemi di degradazione hanno limitato il loro uso in precedenza. L'uso di un elettrolita solido con proprietà elastiche risolve molti di questi problemi".

I ricercatori hanno quindi testato diverse varianti delle nuove batterie a stato solido per analizzare le loro prestazioni su oltre 300 cicli di carica e scarica a una temperatura elevata di 122 gradi Fahrenheit, notando che hanno superato i progetti precedenti che utilizzano fluoruro di metallo anche quando questi sono stati mantenuti freschi a temperatura ambiente.

I ricercatori hanno scoperto che la chiave per migliorare le prestazioni della batteria era l'elettrolita polimerico solido. In precedenti tentativi di utilizzare fluoruri metallici, si credeva che gli ioni metallici migrassero sulla superficie del catodo e alla fine si dissolvessero nell'elettrolita liquido, causando una perdita di capacità, particolarmente a temperature elevate. Inoltre, i fluoruri metallici hanno catalizzato la massiccia decomposizione di elettroliti liquidi quando le cellule funzionavano a temperature superiori a 100 gradi Fahrenheit. Però, alla connessione tra l'elettrolita solido e il catodo, tale dissoluzione non avviene e l'elettrolita solido rimane notevolmente stabile, prevenire tali degradi, hanno scritto i ricercatori.

"L'elettrolita polimerico che abbiamo usato era molto comune, ma molti altri elettroliti solidi e altre architetture di batterie o elettrodi, come le morfologie delle particelle core-shell, dovrebbero essere in grado di mitigare drasticamente o addirittura prevenire completamente reazioni collaterali parassitarie e raggiungere caratteristiche di prestazione stabili, " disse Kostiantyn Turcheniuk, scienziato ricercatore nel laboratorio di Yushin e coautore del manoscritto.

Nel futuro, i ricercatori mirano a sviluppare elettroliti solidi nuovi e migliorati per consentire una ricarica rapida e anche a combinare elettroliti solidi e liquidi in nuovi progetti che siano pienamente compatibili con le tecnologie di produzione di celle convenzionali impiegate nelle grandi fabbriche di batterie.