La maggior parte delle batterie agli ioni di litio (LIB) esistenti integra anodi di grafite, che hanno una capacità di circa 350 milliampere ora (mAh) per grammo. La capacità degli anodi di silicio è quasi 10 volte superiore a quella dei loro omologhi in grafite (circa 2, 800 mAh per grammo), e potrebbe quindi teoricamente consentire lo sviluppo di batterie al litio più compatte e leggere.

Nonostante la loro maggiore capacità, gli anodi di silicio finora non sono stati in grado di competere con gli anodi di grafite, mentre il silicio si espande e si contrae durante il funzionamento a batteria, quindi lo strato protettivo esterno degli anodi può facilmente rompersi mentre una batteria è in funzione. In un recente articolo pubblicato su Energia della natura , un team di ricercatori dell'Università del Maryland College Park e dell'Army Research Laboratory ha segnalato un nuovo design dell'elettrolita che potrebbe superare i limiti degli anodi di silicio esistenti.

"Gli anodi di silicio e i loro strati protettivi di interfase di elettrolita solido (SEI) sono più facili da polverizzare durante il funzionamento a batteria, perché il SEI si lega fortemente a Si, quindi entrambi sperimentano un grande volume di cambiamenti, "Ji Chen, uno dei principali ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org.

Il SEI è uno strato protettivo che si forma naturalmente quando le particelle dell'anodo sono a diretto contatto con un elettrolita. Questo strato funge da barriera che impedisce che si verifichino ulteriori reazioni all'interno della batteria, separare l'anodo dall'elettrolita.

"Se questo strato protettivo viene danneggiato durante l'espansione o la contrazione delle particelle dell'anodo di silicio, le particelle di anodo appena esposte reagiscono continuamente con l'elettrolita fino a quando non si esaurisce durante il ciclo della batteria, "Oleg Borodin, un chimico senior coinvolto nello studio presso l'Army Research Laboratory, ha detto a Phys.org.

Da più di un decennio, gruppi di ricerca di tutto il mondo hanno cercato di superare i problemi che impediscono l'uso di anodi di silicio nei LIB, principalmente progettando SEI flessibili e organici che si espandono con gli anodi. La maggior parte delle soluzioni sviluppate, però, si sono rivelati del tutto inefficaci o moderatamente efficaci, prevenendo così solo in parte i danni da SEI.

"Per molto tempo, la comunità di ricerca LIB ha cercato di ideare tecniche per far funzionare anodi ad alta capacità come il Si, " ha detto Chunsheng Wang, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'Università del Maryland (UMD), che è anche il direttore dell'UMD del Centro di ricerca sulle batterie estreme. "Questi ricercatori stavano lavorando principalmente a livello di materiale Si introducendo costosi processi di nanofabbricazione. Abbiamo cercato di affrontare questo problema in modo diverso progettando l'elettrolita e il corrispondente SEI per anodi ad alta capacità".

Chen, Borodino, Wang e i loro colleghi hanno progettato un elettrolita che potrebbe migliorare le prestazioni degli anodi di silicio microdimensionati nei LIB, prevenire danni alla loro barriera protettiva esterna. Rispetto alle soluzioni proposte in precedenza, il loro approccio riduce sostanzialmente al minimo la degradazione dell'elettrolito, consentendo così un ciclo della batteria molto più lungo prima che perda la sua capacità.

L'obiettivo finale dello studio dei ricercatori era identificare un universale, soluzione drop-in che potrebbe facilitare lo sviluppo di anodi ad alta capacità per batterie a base di litio. Per realizzare questo, hanno progettato elettroliti utilizzando LiPF ₆ , un sale all'avanguardia, e una miscela di solventi eterei, formando uno strato protettivo SEI molto robusto ricco di LiF.

"La speciale struttura di solvatazione (interazione tra il sale e il solvente) e l'ampio divario tra la tendenza alla riduzione del sale e del solvente promuovono la formazione di un unico SEI ricco di LiF su Si che è super utile per il ciclismo ad alta capacità Si anodi, " ha spiegato Oleg. "L'elettrolita che abbiamo progettato fornisce una soluzione drop-in per l'attuale tecnologia LIB senza richiedere un'elaborazione costosa, pur mantenendo un'elevata stabilità ciclistica e un'efficienza Coulombic (CE) senza precedenti."

Il recente studio di Chen, Borodino, Wang e i loro colleghi dimostrano che ottenere un buon ciclo e un elevato CE nei LIB contenenti anodi di silicio è, infatti, possibile, e che si può ottenere semplicemente sostituendo l'elettrolita all'interno di una batteria, che in precedenza era considerato impraticabile o del tutto irrealizzabile. Il principio alla base della progettazione dell'elettrolita potrebbe anche essere applicato teoricamente a tutti gli anodi in lega ad alta capacità. Nel futuro, questo design potrebbe consentire la creazione di batterie a base di litio più performanti che contengono anodi basati su materiali diversi dalla grafite.

"I nostri risultati indicano una nuova direzione per la progettazione degli elettroliti e potrebbero dare ai team di ricerca di tutto il mondo fiducia nell'applicazione di materiali anodici ad alta capacità nei LIB, "Ha detto Wang. "I nostri prossimi passi saranno migliorare la finestra di tensione dell'elettrolita e provare a concedere in licenza la tecnologia ai produttori di batterie".

© 2020 Scienza X Rete