Ricercatori sudcoreani hanno sviluppato un nuovo tipo di struttura di elettrodi per batterie secondarie completamente allo stato solido. Se questa tecnologia viene adottata, la densità energetica delle batterie potrebbe aumentare significativamente rispetto alle tecnologie esistenti, contribuendo enormemente allo sviluppo di batterie secondarie ad alte prestazioni.

Un team di ricerca congiunto dell'Elettronic and Telecommunications Research Institute (ETRI) e del Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) ha progettato una nuova struttura di elettrodi per batterie secondarie completamente allo stato solido dopo aver identificato il meccanismo di facile diffusione degli ioni di litio tra le batterie attive materiali. Hanno pubblicato i loro risultati in ACS Energy Letters , una rivista accademica online internazionale specializzata nel settore energetico, gestita dall'American Chemical Society (ACS).

A differenza delle cellule primarie, che può essere utilizzato una sola volta, le batterie secondarie possono essere ricaricate e utilizzate ripetutamente. L'importanza della tecnologia delle batterie secondarie per i robot, auto elettrica, i sistemi di accumulo di energia (ESS) e i droni crescono di anno in anno.

Le batterie secondarie completamente allo stato solido utilizzano un elettrolita solido per trasportare gli ioni all'interno degli elettrodi della batteria. Gli elettroliti solidi sono più sicuri degli elettroliti liquidi, che può provocare un incendio. Inoltre, gli elettroliti solidi possono essere implementati in una cella secondaria di tipo bipolare per aumentare la densità di energia mediante una semplice configurazione della batteria.

La struttura dell'elettrodo di una cella secondaria convenzionale a stato solido è costituita da un elettrolita solido responsabile della conduzione ionica, un additivo conduttivo che fornisce i mezzi per la conduzione degli elettroni; materiale attivo responsabile dell'immagazzinamento dell'energia; e un legante che trattiene queste parti costituenti fisicamente e chimicamente.

I ricercatori dell'ETRI hanno scoperto attraverso esperimenti sistematici, però, che gli ioni vengono trasportati anche tra particelle di materiale attivo di grafite. E hanno proposto un nuovo tipo di struttura dell'elettrodo per una cella secondaria completamente allo stato solido costituita solo dal materiale attivo e dal legante. I ricercatori hanno confermato la possibilità che anche senza un additivo elettrolitico solido all'interno degli elettrodi, le prestazioni di una cella secondaria completamente allo stato solido potrebbero essere superiori.

La fattibilità teorica della nuova struttura proposta dall'ETRI è stata verificata al DGIST attraverso test elettrochimici di un modello virtuale in esecuzione su un supercomputer. I ricercatori dell'ETRI sono riusciti a dimostrare questa struttura in un esperimento reale. Il risultato è un elettrodo a stato solido dipendente dalla diffusione.

Se viene adottata la tecnologia ETRI, il materiale additivo per conduzione solida non sarà più necessario nell'elettrodo; Invece, il materiale più attivo può essere spremuto nello stesso volume. In altre parole, la quantità di materiale attivo nell'elettrodo può aumentare fino al 98% in peso e, di conseguenza, la densità di energia può essere resa 1,5 volte maggiore rispetto all'elettrodo composito di grafite convenzionale.

La tecnologia offre vantaggi anche negli aspetti del processo produttivo. Elettroliti solidi di tipo solfuro, che hanno un'elevata conduttività ionica e una moderata plasticità, sono considerati un ottimo candidato per la fabbricazione di batterie a stato solido. Ma a causa della sua elevata reattività chimica, gli elettroliti solidi di tipo solfuro lasciano agli sviluppatori di batterie pochissime opzioni quando si tratta di solventi e leganti. In contrasto, con il nuovo elettrodo ETRI, gli sviluppatori possono selezionare liberamente il tipo di solvente e legante da utilizzare nella batteria poiché l'elettrodo non contiene elettroliti solidi altamente reattivi. Ciò consente inoltre ai ricercatori di perseguire nuovi approcci per migliorare le prestazioni delle celle secondarie completamente allo stato solido.

Dottor Young-Gi Lee, chi è stato coinvolto in questa ricerca, disse, "Abbiamo rivelato per la prima volta che gli ioni possono essere diffusi solo con materiali attivi. Non siamo più vincolati alla struttura utilizzata nelle celle secondarie a stato solido esistenti. Abbiamo in programma di sviluppare celle secondarie con densità di energia anche elevate, utilizzando questa tecnologia. Ci assicureremo anche i nostri diritti sulla tecnologia di base e lavoreremo su una versione che potrebbe essere commercializzata".

Sebbene l'ETRI abbia condotto la sua ricerca utilizzando materiale attivo catodico di grafite, intende continuare la sua ricerca basata sullo stesso concetto utilizzando diversi altri materiali per elettrodi. Sta inoltre progettando di migliorare la tecnologia al fine di aumentare l'efficienza. Ciò può essere ottenuto eliminando i problemi di interfaccia tra gli elettrodi e assottigliando il volume degli elettrodi.