Yuan Yang, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Columbia Engineering, ha sviluppato un nuovo metodo che potrebbe portare a batterie al litio più sicure, avere una durata della batteria più lunga, e sono pieghevoli, fornendo nuove possibilità come gli smartphone flessibili. La sua nuova tecnica utilizza la modellazione del ghiaccio per controllare la struttura dell'elettrolita solido per le batterie al litio utilizzate nell'elettronica portatile, veicoli elettrici, e stoccaggio di energia a livello di rete. Lo studio è pubblicato online il 24 aprile in Nano lettere .

L'elettrolita liquido è attualmente utilizzato nelle batterie al litio commerciali, e, come ormai tutti sanno, è altamente infiammabile, causando problemi di sicurezza con alcuni laptop e altri dispositivi elettronici. Il team di Yang ha esplorato l'idea di utilizzare l'elettrolita solido come sostituto dell'elettrolita liquido per realizzare batterie al litio completamente allo stato solido. Erano interessati all'uso della modellazione del ghiaccio per fabbricare strutture allineate verticalmente di elettroliti solidi ceramici, che forniscono percorsi veloci agli ioni di litio e sono altamente conduttivi. Hanno raffreddato la soluzione acquosa con particelle di ceramica dal fondo e poi hanno lasciato che il ghiaccio crescesse e spingesse via e concentrasse le particelle di ceramica. Hanno quindi applicato un vuoto per trasformare il ghiaccio solido in un gas, lasciando una struttura allineata verticalmente. Finalmente, hanno combinato questa struttura ceramica con il polimero per fornire supporto meccanico e flessibilità all'elettrolita.

"Nei dispositivi elettronici portatili, così come i veicoli elettrici, le batterie al litio a stato solido flessibili non solo risolvono i problemi di sicurezza, ma possono anche aumentare la densità di energia della batteria per il trasporto e lo stoccaggio. E mostrano grandi promesse nella creazione di dispositivi pieghevoli, "dice Yang, il cui gruppo di ricerca è focalizzato sullo stoccaggio e la conversione di energia elettrochimica e la gestione dell'energia termica.

I ricercatori in studi precedenti hanno utilizzato particelle ceramiche disperse casualmente in elettroliti polimerici o elettroliti ceramici simili a fibre che non sono allineati verticalmente. "Abbiamo pensato che se combinassimo la struttura allineata verticalmente dell'elettrolita ceramico con l'elettrolita polimerico, saremmo in grado di fornire un'autostrada veloce per gli ioni di litio e quindi migliorare la conduttività, "dice Haowei Zhai, Studente di dottorato di Yang e autore principale dell'articolo. "Riteniamo che questa sia la prima volta che qualcuno ha utilizzato il metodo di modellazione del ghiaccio per creare un elettrolita solido flessibile, che non è infiammabile e non tossico, nelle batterie al litio. Questo apre un nuovo approccio per ottimizzare la conduzione ionica per le batterie ricaricabili di prossima generazione".

Inoltre, dicono i ricercatori, questa tecnica potrebbe in linea di principio migliorare la densità energetica delle batterie:utilizzando l'elettrolita solido, l'elettrodo negativo della batteria al litio, attualmente uno strato di grafite, potrebbe essere sostituito da litio metallico, e questo potrebbe migliorare l'energia specifica della batteria dal 60% al 70%. Yang e Zhai hanno in programma di lavorare sull'ottimizzazione delle qualità dell'elettrolita combinato e sull'assemblaggio dell'elettrolita solido flessibile insieme agli elettrodi della batteria per costruire un prototipo di una batteria al litio completa.

"Questa è un'idea intelligente, "dice Hailiang Wang, assistente professore di chimica alla Yale University. "La struttura progettata razionalmente aiuta davvero a migliorare le prestazioni dell'elettrolita composito. Penso che questo sia un approccio promettente".