Figura che mostra la strategia di progettazione e le proprietà dell'elettrolita. Credito:Fan et al.
Gli elettroliti sono componenti chimici che consentono il flusso di ioni tra il catodo e l'anodo all'interno delle batterie, fornendo infine energia elettrica ai dispositivi tecnologici. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio non acquose convenzionali e facilmente disponibili sono fabbricate utilizzando elettroliti a base di carbonato.
Nonostante il loro uso diffuso, gli elettroliti carbonati altamente infiammabili limitano notevolmente le temperature alle quali una batteria può funzionare correttamente a causa della loro elevata affinità tra i loro solventi chimici e gli ioni all'interno delle batterie. Ciò fa sì che la maggior parte delle batterie a base di elettroliti carbonati funzioni in modo sicuro solo tra -20°C e +50°C, o a tensioni comprese tra 0,0 e 4,3V.
Con questo in testa, un team di ricercatori guidati dal professor Chunsheng Wang dell'Università del Maryland negli Stati Uniti e altri scienziati dell'Università di Zhejiang in Cina hanno recentemente fabbricato un nuovo tipo di batteria che può funzionare a una gamma di temperature più ampia, utilizzando elettroliti fluorurati con solventi non polari. Questi elettroliti fluorurati non sono infiammabili, consentendo un'elevata stabilità elettrochimica entro un intervallo di temperature e tensioni più ampio rispetto agli elettroliti di carbonato.
"Negli elettroliti attuali, la finestra di stabilità elettrochimica e la finestra della temperatura di esercizio non possono raggiungere il massimo contemporaneamente a causa della limitazione intrinseca della struttura di solvatazione degli elettroliti, " Xiao Ji, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Riducendo gli ioni di litio e legando con il solvente attraverso l'aggiunta di un antisolvente, abbiamo disaccoppiato la proprietà elettrochimica e fisica degli elettroliti e sviluppato tutta la temperatura (-95 o C a +60 o C) e tutti gli elettroliti della batteria agli ioni di litio a voltaggio (da 0,0 V a 5,6 V)," ha affermato del dott. Xiulin Fan, il primo autore del saggio.
Essenzialmente, Ji e i suoi colleghi sono stati in grado di domare l'affinità tra solventi chimici e ioni di litio nelle batterie dissolvendo gli elettroliti fluorurati in solventi non polari altamente fluorurati (cioè solventi contenenti legami tra atomi con elettronegatività simili). Gli elettroliti utilizzati consentono un'elevata stabilità elettrochimica in un'ampia finestra di tensione da 0,0 a 5,6 V, così come elevate conducibilità ioniche in un ampio intervallo di temperatura tra -125 e +70 °C.
Immagini digitali per (a) 1,28 M LiFSI-FEC/FEMC-D2 e (b) 0,7 M LiBETIFEC/DEC-M3 dopo averle mantenute a -95 ° C per 3 ore. Dopo aver immerso completamente a -95 °C per 3 ore, i flaconi dell'elettrolito sono stati rovesciati. Le frecce rosse mostrano il livello del liquido di questi due elettroliti. In questi due elettroliti non emergono depositi o separazioni di fase. Credito:Fan et al.
Con gli elettroliti fluorurati, i ricercatori hanno scoperto che LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 oh 2 i catodi hanno raggiunto elevate efficienze coulombiane del 99,9 percento, tra −95 e + 70 °C, mentre gli aggressivi anodi Li e l'alta tensione (5,4 V) LiCoMnO 4 raggiunto efficienze coulombiane del 99,4 percento e del 99 percento, rispettivamente. Inoltre, anche a -85 °C, la batteria potrebbe ancora fornire circa il 50 percento della sua capacità a temperatura ambiente.
"Le barriere al trasporto di ioni di litio sono drasticamente ridotte nel nostro elettrolita, la gamma liquida dell'elettrolita è notevolmente ampliata, " Chunsheng Wang ha detto. "Inoltre, l'elettrolita sviluppato può sopportare un voltaggio molto più elevato rispetto ai convenzionali elettroliti di carbonato commercializzati. Perciò, le batterie basate sul nostro elettrolita possono funzionare in un intervallo di temperatura molto più ampio."
Gli elettroliti fluorurati utilizzati da Wang e dai suoi colleghi si sono finora dimostrati più efficaci degli elettroliti di carbonato, raggiungere un'elevata stabilità elettrochimica all'interno di una finestra di tensione più ampia e conducibilità ioniche elevate a un intervallo di temperature più ampio. Essendo completamente non infiammabili, sono anche molto più sicuri degli elettroliti di carbonato. Nel futuro, gli elettroliti proposti da questo team di ricercatori potrebbero essere utilizzati per costruire batterie altamente performanti che possano funzionare anche in climi estremi, per esempio nell'Artico o nella savana africana.
"Ora cercheremo di ottimizzare la composizione delle batterie che abbiamo sviluppato per ridurne i costi e collaboreremo anche con le industrie delle batterie per commercializzare le batterie per tutte le temperature, "Ha aggiunto il tifoso.
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