I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno sviluppato un nuovo metodo per realizzare fogli di elettroliti flessibili a base di ceramica per batterie al litio metallico. Hanno combinato una ceramica di tipo granato, un legante polimerico e un liquido ionico, producendo un elettrolita in foglio quasi allo stato solido. La sintesi viene effettuata a temperatura ambiente, che richiedono molta meno energia rispetto all'alta temperatura esistente (> 1000°C) processi. Funziona in un'ampia gamma di temperature, rendendolo un elettrolita promettente per le batterie, ad es. nei veicoli elettrici.

I combustibili fossili rappresentano la maggior parte del fabbisogno energetico mondiale, compresa l'elettricità. Ma i combustibili fossili stanno finendo, e bruciarli porta anche all'emissione diretta di anidride carbonica e altri inquinanti come gli ossidi di azoto tossici nell'atmosfera. C'è una domanda globale per passare a fonti di energia rinnovabile più pulite. Ma le principali fonti di energia rinnovabile come l'energia eolica e solare sono spesso intermittenti:il vento non soffia sempre e il sole non splende di notte. Sono quindi necessari sistemi avanzati di accumulo di energia per utilizzare fonti rinnovabili, fonti intermittenti in modo più efficace. Le batterie agli ioni di litio hanno avuto un profondo impatto sulla società moderna, alimentando un'ampia gamma di dispositivi elettronici portatili ed elettrodomestici come gli aspirapolvere senza fili sin dalla loro commercializzazione da parte di Sony nel 1991. Tuttavia, l'utilizzo di queste batterie nei veicoli elettrici (VE) richiede ancora un sostanziale miglioramento della capacità e della sicurezza delle batterie Li all'avanguardia. -tecnologia a ioni.

Ciò ha portato a una rinascita dell'interesse della ricerca sulle batterie al litio metallico:gli anodi al litio metallico hanno una capacità teorica molto più elevata rispetto agli anodi di grafite attualmente in uso commerciale. Ci sono ancora ostacoli tecnologici associati agli anodi in metallo di litio. Nelle batterie a base liquida, Per esempio, possono crescere dendriti di litio (o braccia) che potrebbero cortocircuitare la batteria e persino portare a incendi ed esplosioni. È qui che sono entrati in gioco gli elettroliti inorganici allo stato solido:sono significativamente più sicuri, e una ceramica di tipo granato (tipo di struttura) Li ₇ La ₃ Zr ₂ oh ₁₂ , meglio conosciuto come LLZO, è ora ampiamente considerato come un promettente materiale elettrolitico allo stato solido per la sua elevata conduttività ionica e compatibilità con il metallo di litio. Però, la produzione di elettroliti LLZO ad alta densità richiede temperature di sinterizzazione molto elevate, fino a 1200 °C. Questo è sia inefficiente dal punto di vista energetico che dispendioso in termini di tempo, rendendo difficile la produzione su larga scala di elettroliti LLZO. Inoltre, lo scarso contatto fisico tra gli elettroliti fragili LLZO e i materiali degli elettrodi di solito si traduce in un'elevata resistenza interfacciale, limitando notevolmente la loro applicazione nelle batterie al litio a stato solido.

Così, un team guidato dal professor Kiyoshi Kanamura della Tokyo Metropolitan University ha deciso di sviluppare un elettrolita in foglio composito flessibile LLZO che può essere prodotto a temperatura ambiente. Lanciano un impasto liquido ceramico LLZO su un sottile substrato polimerico, come spalmare il burro sui toast. Dopo l'essiccazione in forno sottovuoto, l'elettrolita in foglio spesso 75 micron è stato immerso in un liquido ionico (IL) per migliorarne la conduttività ionica. Gli IL sono sali liquidi a temperatura ambiente, noto per essere altamente conduttivo pur essendo quasi non infiammabile e non volatile. Dentro le lenzuola, l'IL ha riempito con successo le lacune microscopiche nella struttura e ha colmato le particelle LLZO, formando un percorso efficiente per gli ioni di litio. Hanno anche ridotto efficacemente la resistenza interfacciale al catodo. In ulteriori indagini, hanno scoperto che gli ioni di litio si diffondono attraverso le particelle IL e LLZO nella struttura, evidenziando il ruolo svolto da entrambi. La sintesi è semplice e adatta alla produzione industriale:l'intero processo viene svolto a temperatura ambiente senza necessità di sinterizzazione ad alta temperatura.

Sebbene le sfide rimangano, il team afferma che la robustezza meccanica e l'operatività del foglio composito flessibile a un'ampia gamma di temperature lo rendono un elettrolita promettente per le batterie al litio. La semplicità di questo nuovo metodo di sintesi potrebbe significare che vedremo sul mercato batterie al litio metallico ad alta capacità prima di quanto pensiamo.