La carica provoca cationi metallici a doppia o tripla carica, come Mg2+ (sfere arancioni), insieme agli ioni di litio a carica singola (sfere verdi) che vengono co-inseriti dall'elettrolita nel materiale dell'anodo di silicio (sfere blu). Questo processo stabilizza l'anodo, consentendo il ciclo a lungo termine delle batterie agli ioni di litio. Credito:Laboratorio nazionale Argonne
La nuova miscela di elettroliti di Argonne stabilizza gli anodi di silicio durante il ciclo.
La batteria agli ioni di litio è onnipresente. Per la sua versatilità, questa batteria può essere adattata per alimentare telefoni cellulari, computer portatili, utensili elettrici o veicoli elettrici. Ora è la fonte di un'impresa multimiliardaria all'anno che continua a crescere ogni anno.
I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato una nuova miscela di elettroliti e un semplice additivo che potrebbe avere un posto nella prossima generazione di batterie agli ioni di litio.
Per molti decenni, gli scienziati sono alla ricerca vigorosa di nuovi materiali per elettrodi ed elettroliti in grado di produrre una nuova generazione di batterie agli ioni di litio che offrono un accumulo di energia molto maggiore pur durando più a lungo, costano meno e sono più sicuri. Questa nuova generazione probabilmente renderà i veicoli elettrici più diffusi e accelererà l'espansione della rete elettrica verso l'energia rinnovabile attraverso uno stoccaggio di energia più economico e affidabile.
Per gli scienziati che sviluppano batterie agli ioni di litio avanzate, l'anodo di silicio è stato il candidato preminente per sostituire l'attuale anodo di grafite. Il silicio ha un significativo vantaggio teorico sulla capacità di accumulo di energia rispetto alla grafite, essere in grado di immagazzinare quasi dieci volte il litio come fa la grafite. L'aumento dell'attrattiva commerciale del silicio è il suo basso costo. È il secondo materiale più abbondante nella crosta terrestre, e la sua prevalenza nell'hardware informatico e delle telecomunicazioni significa che esistono sostanziali tecnologie di elaborazione.
"Ma è rimasta una pietra d'inciampo, " ha osservato Jack Vaughey, un chimico senior nella divisione di Scienze chimiche e ingegneria (CSE) di Argonne. "Sul ciclismo, un anodo a base di silicio in una cella agli ioni di litio diventa molto reattivo con l'elettrolita, e questo processo degrada la cellula nel tempo, causando un ciclo di vita ridotto."
Gli elettroliti delle batterie agli ioni di litio attualmente contengono una miscela di solventi, con un sale di litio disciolto e almeno uno, spesso più di tre additivi organici. Gli scienziati di Argonne hanno sviluppato una strategia di additivo elettrolitico unica:una piccola quantità di un secondo sale contenente uno qualsiasi dei numerosi cationi metallici a doppia o tripla carica (Mg 2+ , Circa 2+ , Zn 2+ , o Al 3+ ). Queste miscele di elettroliti potenziate, collettivamente denominati "MESA" (che sta per elettroliti a sali misti per anodi di silicio), conferiscono agli anodi di silicio una maggiore stabilità della superficie e della massa, migliorare il ciclismo a lungo termine e la vita del calendario.
"Abbiamo testato a fondo le formulazioni MESA con celle piene fabbricate con elettrodi standard commercialmente rilevanti, " disse Baris Key, un chimico nella divisione CSE. "La nuova chimica è semplice, scalabile e completamente compatibile con la tecnologia delle batterie esistente."
"In questo progetto, abbiamo grandemente beneficiato dell'analisi cellulare di Argonne, Stabilimento di modellazione e prototipazione (CAMP), " ha aggiunto Vaughey. "È stato lì che abbiamo testato le nostre formulazioni MESA ."
I ricercatori di Argonne hanno anche studiato come funzionano gli elettroliti contenenti MESA. Durante la ricarica, le aggiunte di cationi metallici nella soluzione elettrolitica migrano nell'anodo a base di silicio insieme agli ioni di litio per formare fasi litio-metallo-silicio, che sono più stabili del litio-silicio. Questa nuova chimica cellulare riduce notevolmente le reazioni collaterali dannose tra l'anodo di silicio e l'elettrolita che avevano afflitto le cellule con l'elettrolita tradizionale. Dei quattro sali metallici testati nelle cellule, i sali elettrolitici aggiunti con magnesio (Mg 2+ ) o calcio (Ca 2+ ) i cationi hanno dimostrato di funzionare al meglio su centinaia di cicli di carica-scarica. Le densità di energia ottenute con queste celle hanno superato quelle di celle comparabili con chimica della grafite fino al 50%.
"Sulla base di questi risultati dei test, " disse Chiave, "Abbiamo tutte le ragioni per credere che, se gli anodi di silicio sostituiscono mai la grafite o costituiscono l'anodo in una concentrazione superiore a qualche punto percentuale, questa invenzione ne farà parte e potrebbe avere un impatto di vasta portata".
