I recenti progressi nello sviluppo di veicoli ibridi ed elettrici hanno aumentato la necessità di tecnologie per batterie altamente performanti. I team di ricerca di tutto il mondo hanno quindi lavorato su un'ampia gamma di soluzioni alternative per le batterie, cercando anche di identificare nuovi elettroliti promettenti per queste batterie.

Le batterie contenenti elettrodi solidi e un elettrolita solido, note come batterie allo stato solido, potrebbero rappresentare una valida soluzione alternativa per lo stoccaggio dell’energia per i veicoli elettrici. Tuttavia, i tradizionali elettroliti ceramici inorganici e gli elettroliti polimerici organici spesso soffrono di scarsa flessibilità o proprietà meccaniche, che influiscono negativamente sulle prestazioni delle batterie.

I ricercatori dell’Accademia cinese delle scienze hanno recentemente scoperto nuovi elettroliti per batterie a stato solido basati su una classe di vetro inorganico viscoelastico (VIGLAS). Il loro articolo, pubblicato su Nature Energy , mostra che questi elettroliti possiedono caratteristiche sia degli elettroliti inorganici che organici e potrebbero migliorare significativamente la stabilità delle celle delle batterie interamente a stato solido.

"Inizialmente volevamo trovare un elettrolita solido inorganico con un basso punto di fusione per semplificare il processo di assemblaggio della batteria a stato solido in un ambiente a temperatura leggermente elevata, che sia simile alle batterie liquide agli ioni di Na," Yong Sheng Hu, uno di hanno detto a Tech Xplore i ricercatori che hanno effettuato lo studio.

"Sulla base della ricerca precedente sulla batteria al sale fuso che utilizza LiAlCl₄ /NaAlCl₄ elettrolita (che ha il punto di fusione più basso tra i sali fusi), abbiamo provato a trovare alcuni metodi per sostituire parzialmente gli atomi di Cl per migliorare la conduttività ionica allo stato solido. Infine, abbiamo scoperto che introducendo atomi di O per vetrificarlo, la conduttività ionica a temperatura ambiente poteva essere migliorata di tre ordini di grandezza, e inaspettatamente abbiamo scoperto che ha una viscoelasticità simile a quella dei polimeri organici."

L’obiettivo principale del recente lavoro di Hu e dei suoi colleghi era quello di svelare nuovi elettroliti promettenti e scalabili per le batterie a stato solido. In primo luogo, i ricercatori hanno sintetizzato i loro elettroliti solidi a base VIGLAS, che si basano sul materiale MAAlCl_4-2x O_x (MACO, M=Li, Na, 0,5

"I materiali VIGLAS possiedono un'elevata conduttività ionica (~1 mS cm ^-1 a 30°C) per entrambi Li ⁺ e Na ⁺ , compatibilità chimico-meccanica superiore con i catodi da 4,3 V, nonché la capacità di abilitare batterie allo stato solido a base di litio e Na senza pressione (<0,1 MPa)", ha spiegato Hu. "La bassa temperatura di fusione (<160°C) consente agli elettroliti di infiltrarsi in modo efficiente nei materiali degli elettrodi in modo simile a una batteria liquida. Inoltre, la deformabilità degli elettroliti facilita la fattibilità dello scale-up attraverso la produzione di film sottili tramite un processo di laminazione."

La classe di vetro inorganico identificata da questo team di ricercatori ha una combinazione unica di proprietà simili a quelle inorganiche, tra cui elevata conduttività ionica, forte resistenza ossidativa e caratteristiche flessibili simili a quelle polimeriche che consentono la compatibilità con i catodi ampiamente utilizzati. Nei test iniziali, gli elettroliti basati su questo vetro hanno ottenuto risultati molto promettenti, infiltrandosi nei materiali degli elettrodi e negli elettroliti liquidi.

In particolare, gli elettroliti del team potrebbero anche essere facilmente ampliabili e fabbricati utilizzando i processi di fabbricazione esistenti. Poiché sono basati su materiali deformabili, potrebbero essere prodotti su larga scala attraverso semplici processi di laminazione.

"Abbiamo dimostrato che non esiste un confine evidente tra gli elettroliti polimerici organici e gli elettroliti inorganici", ha aggiunto Hu. "Gli elettroliti inorganici possono anche avere proprietà meccaniche simili ai polimeri, che consentono celle a stato solido a base di Li e Na senza pressione. Nei nostri prossimi studi, prevediamo di esplorare altri elettroliti VIGLAS simili con Li/Na- stabilità dell'anodo metallico."

Ulteriori informazioni: Tao Dai et al, Elettroliti di vetro inorganici con viscoelasticità simile a un polimero, Nature Energy (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01356-y

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