Una nuova ricerca degli ingegneri del MIT e altrove potrebbe portare a batterie in grado di contenere più energia per chilo e durare più a lungo, basato sull'obiettivo a lungo cercato di utilizzare puro metallo di litio come uno dei due elettrodi della batteria, l'anodo.

Il nuovo concetto di elettrodo nasce dal laboratorio di Ju Li, il Battelle Energy Alliance Professore di Scienza e Ingegneria Nucleare e professore di Scienza e Ingegneria dei materiali. È descritto nel giornale Natura , in un articolo scritto da Yuming Chen e Ziqiang Wang al MIT, insieme ad altri 11 al MIT e ad Hong Kong, Florida, e Texas.

Il design fa parte di un concetto per lo sviluppo di batterie a stato solido sicure, l'eliminazione del liquido o del gel polimerico solitamente utilizzato come materiale elettrolitico tra i due elettrodi della batteria. Un elettrolita consente agli ioni di litio di viaggiare avanti e indietro durante i cicli di carica e scarica della batteria, e una versione completamente solida potrebbe essere più sicura degli elettroliti liquidi, che hanno un'elevata volatilità e sono stati fonte di esplosioni nelle batterie al litio.

"C'è stato molto lavoro sulle batterie a stato solido, con elettrodi al litio metallico ed elettroliti solidi, "Li dice, ma questi sforzi hanno affrontato una serie di problemi.

Uno dei problemi più grandi è che quando la batteria è carica, gli atomi si accumulano all'interno del metallo di litio, facendolo espandere. Il metallo poi si restringe di nuovo durante la scarica, come viene utilizzata la batteria. Questi ripetuti cambiamenti nelle dimensioni del metallo, un po' come il processo di inspirazione ed espirazione, rendono difficile per i solidi mantenere un contatto costante, e tendono a provocare la frattura o il distacco dell'elettrolita solido.

Un altro problema è che nessuno degli elettroliti solidi proposti è veramente chimicamente stabile mentre è in contatto con il metallo di litio altamente reattivo, e tendono a degradarsi nel tempo.

La maggior parte dei tentativi per superare questi problemi si è concentrata sulla progettazione di materiali elettrolitici solidi che siano assolutamente stabili contro il litio metallico, che risulta difficile. Anziché, Li e il suo team hanno adottato un design insolito che utilizza due classi aggiuntive di solidi, "conduttori misti ionici-elettronici" (MIEC) e "isolatori di elettroni e ioni di litio" (ELI), che sono assolutamente chimicamente stabili a contatto con il litio metallico.

I ricercatori hanno sviluppato una nanoarchitettura tridimensionale sotto forma di una matrice a nido d'ape di tubi MIEC esagonali, parzialmente infuso con il solido metallo di litio per formare un elettrodo della batteria, ma con spazio extra lasciato all'interno di ogni tubo. Quando il litio si espande durante il processo di ricarica, scorre nello spazio vuoto all'interno dei tubi, muovendosi come un liquido pur conservando la sua solida struttura cristallina. questo flusso, interamente confinato all'interno della struttura a nido d'ape, allevia la pressione dall'espansione causata dalla carica, ma senza modificare le dimensioni esterne dell'elettrodo o il confine tra l'elettrodo e l'elettrolita. L'altro materiale, l'ELI, funge da legante meccanico cruciale tra le pareti MIEC e lo strato di elettrolita solido.

"Abbiamo progettato questa struttura che ci fornisce elettrodi tridimensionali, come un favo, " dice Li. Gli spazi vuoti in ogni tubo della struttura consentono al litio di "strisciare all'indietro" nei tubi, "e in quel modo, non crea stress per rompere l'elettrolita solido." Il litio in espansione e in contrazione all'interno di questi tubi si muove dentro e fuori, una specie di pistoni del motore di un'auto all'interno dei cilindri. Poiché queste strutture sono costruite su dimensioni nanometriche (i tubi hanno un diametro di circa 100-300 nanometri, e decine di micron di altezza), il risultato è come "un motore con 10 miliardi di pistoni, con litio metallico come fluido di lavoro, " dice Li.

Poiché le pareti di queste strutture a nido d'ape sono realizzate in MIEC chimicamente stabile, il litio non perde mai il contatto elettrico con il materiale, Li dice. Così, l'intera batteria solida può rimanere meccanicamente e chimicamente stabile durante i suoi cicli di utilizzo. Il team ha dimostrato sperimentalmente il concetto, sottoporre un dispositivo di prova a 100 cicli di carica e scarica senza produrre alcuna frattura dei solidi.

Li dice che sebbene molti altri gruppi stiano lavorando su quelle che chiamano batterie solide, la maggior parte di questi sistemi in realtà funziona meglio con un po' di elettrolita liquido mescolato con il materiale dell'elettrolita solido. "Ma nel nostro caso, " lui dice, "è veramente tutto solido. Non contiene liquidi o gel di alcun tipo."

Il nuovo sistema potrebbe portare ad anodi sicuri che pesano solo un quarto rispetto alle loro controparti convenzionali nelle batterie agli ioni di litio, per la stessa quantità di capacità di stoccaggio. Se combinato con nuovi concetti per le versioni leggere dell'altro elettrodo, il catodo, questo lavoro potrebbe portare a riduzioni sostanziali del peso complessivo delle batterie agli ioni di litio. Per esempio, il team spera che possa portare a cellulari che potrebbero essere caricati solo una volta ogni tre giorni, senza rendere i telefoni più pesanti o ingombranti.

Un nuovo concetto per un catodo più leggero è stato descritto da un altro team guidato da Li, in un articolo apparso il mese scorso sulla rivista Energia della natura , co-autore del postdoc del MIT Zhi Zhu e dello studente laureato Daiwei Yu. Il materiale ridurrebbe l'uso di nichel e cobalto, che sono costosi e tossici e utilizzati nei catodi attuali. Il nuovo catodo non si basa solo sul contributo di capacità di questi metalli di transizione nel ciclo della batteria. Anziché, farebbe più affidamento sulla capacità redox dell'ossigeno, che è molto più leggero e abbondante. Ma in questo processo gli ioni di ossigeno diventano più mobili, che possono farli fuoriuscire dalle particelle del catodo. I ricercatori hanno utilizzato un trattamento superficiale ad alta temperatura con sale fuso per produrre uno strato superficiale protettivo su particelle di ossido di metallo ricco di manganese e litio, quindi la quantità di perdita di ossigeno è drasticamente ridotta.

Anche se lo strato superficiale è molto sottile, di soli 5-20 nanometri di spessore su una particella larga 400 nanometri, fornisce una buona protezione per il materiale sottostante. "È quasi come l'immunizzazione, "Li dice, contro gli effetti distruttivi della perdita di ossigeno nelle batterie utilizzate a temperatura ambiente. Le attuali versioni forniscono almeno il 50 percento di miglioramento della quantità di energia che può essere immagazzinata per un dato peso, con una stabilità ciclistica molto migliore.

Finora il team ha costruito solo piccoli dispositivi su scala di laboratorio, ma "Mi aspetto che questo possa essere ampliato molto rapidamente, " dice Li. I materiali necessari, principalmente manganese, sono notevolmente più economici del nichel o del cobalto utilizzati da altri sistemi, quindi questi catodi potrebbero costare anche un quinto rispetto alle versioni convenzionali.