Yuan Yang, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Columbia Engineering, ha sviluppato un nuovo metodo per aumentare la densità energetica delle batterie al litio (Li-ion). Ha costruito una struttura a tre strati stabile anche in aria ambiente, il che rende la batteria più duratura ed economica da produrre. Il lavoro, che può migliorare la densità energetica delle batterie al litio del 10-30%, è pubblicato online oggi in Nano lettere .

"Quando le batterie al litio vengono caricate per la prima volta, perdono ovunque dal 5 al 20% di energia in quel primo ciclo, " dice Yang. "Attraverso il nostro design, siamo stati in grado di riguadagnare questa perdita, e pensiamo che il nostro metodo abbia un grande potenziale per aumentare il tempo di funzionamento delle batterie per l'elettronica portatile e i veicoli elettrici."

Durante la prima carica di una batteria al litio dopo la sua produzione, una porzione di elettrolita liquido viene ridotta a fase solida e spalmata sull'elettrodo negativo della batteria. Questo processo, solitamente fatto prima che le batterie vengano spedite da una fabbrica, è irreversibile e riduce l'energia immagazzinata nella batteria. La perdita è di circa il 10% per gli elettrodi negativi di ultima generazione, ma può raggiungere il 20-30% per gli elettrodi negativi di nuova generazione ad alta capacità, come il silicio, perché questi materiali hanno una grande espansione del volume e un'elevata superficie. La grande perdita iniziale riduce la capacità ottenibile in una cella piena e quindi compromette il guadagno in densità di energia e la durata del ciclo di questi elettrodi nanostrutturati.

L'approccio tradizionale per compensare questa perdita è stato quello di inserire alcuni materiali ricchi di litio nell'elettrodo. Però, la maggior parte di questi materiali non è stabile nell'aria ambiente. Produzione di batterie in aria secca, che non ha affatto umidità, è un processo molto più costoso rispetto alla produzione in aria ambiente. Yang ha sviluppato una nuova struttura di elettrodi a tre strati per fabbricare anodi di batterie litiate nell'aria ambiente. In questi elettrodi, ha protetto il litio con uno strato di polimero PMMA per evitare che il litio reagisse con l'aria e l'umidità, e quindi rivestito il PMMA con tali materiali attivi come grafite artificiale o nanoparticelle di silicio. Lo strato di PMMA è stato quindi sciolto nell'elettrolita della batteria, esponendo così il litio ai materiali degli elettrodi. "In questo modo siamo stati in grado di evitare qualsiasi contatto con l'aria tra il litio instabile e un elettrodo litiato, "Yang spiega, "così l'elettrodo strutturato a tre strati può essere utilizzato nell'aria ambiente. Questo potrebbe essere un interessante passo avanti verso la produzione di massa di elettrodi per batterie al litio".

Il metodo di Yang ha ridotto la capacità di perdita negli elettrodi di grafite all'avanguardia dall'8% allo 0,3%, e negli elettrodi di silicio, dal 13% al -15%. La cifra del -15% indica che c'era più litio del necessario, e il litio "extra" può essere utilizzato per migliorare ulteriormente la durata del ciclo delle batterie, poiché l'eccedenza può compensare la perdita di capacità nei cicli successivi. Poiché la densità di energia, o capacità, delle batterie agli ioni di litio è aumentato del 5-7% annuo negli ultimi 25 anni, I risultati di Yang indicano una possibile soluzione per aumentare la capacità delle batterie agli ioni di litio. Il suo gruppo sta ora cercando di ridurre lo spessore del rivestimento polimerico in modo che occupi un volume minore nella batteria al litio, e per aumentare la sua tecnica.

"Questa struttura di elettrodi a tre strati è davvero un design intelligente che consente la lavorazione di elettrodi contenenti litio-metallo in condizioni ambientali, " nota Hailiang Wang, assistente professore di chimica alla Yale University, che non era coinvolto nello studio. "L'efficienza coulombiana iniziale degli elettrodi è una grande preoccupazione per l'industria delle batterie agli ioni di litio, e questa tecnica efficace e facile da usare per compensare la perdita irreversibile di ioni di litio attirerà interesse".