Credito:Università della California - San Diego
Quando si tratta di batterie, ci sono sempre aree di miglioramento:la corsa è per sviluppare batterie più economiche, più sicuro, che dura di più, più denso di energia, e facilmente riciclabile.
In un articolo di rassegna pubblicato nel numero di marzo 2020 di Nanotecnologia della natura , i nanoingegneri dell'Università della California a San Diego offrono una tabella di marcia di ricerca che include quattro sfide che devono essere affrontate per far avanzare una promettente classe di batterie, tutte a stato solido, verso la commercializzazione. Questo articolo riassume il lavoro del team per affrontare queste sfide negli ultimi tre anni, che sono stati riportati in diversi articoli peer-reviewed pubblicati su varie riviste.
A differenza delle odierne batterie ricaricabili agli ioni di litio, che contengono elettroliti liquidi spesso infiammabili, le batterie con elettroliti solidi offrono la possibilità di maggiore sicurezza, oltre a tutta una serie di vantaggi tra cui una maggiore densità energetica.
Nel Nanotecnologia della natura recensione articolo, i ricercatori si concentrano su elettroliti solidi inorganici come ossidi ceramici o vetri di solfuro. Gli elettroliti solidi inorganici sono una classe relativamente nuova di elettroliti solidi per batterie a stato solido (a differenza degli elettroliti solidi organici che sono oggetto di ricerche più approfondite).
Roadmap:elettroliti inorganici per batterie a stato solido
Quello che segue è uno schema della tabella di marcia che i ricercatori descrivono nel loro articolo di revisione:
"È fondamentale fare un passo indietro e pensare a come affrontare queste sfide contemporaneamente perché sono tutte interconnesse, " ha detto Shirley Meng, un professore di nanoingegneria presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Se vogliamo mantenere la promessa di batterie completamente allo stato solido, dobbiamo trovare soluzioni che affrontino tutte queste sfide contemporaneamente".
In qualità di direttore dell'UC San Diego Sustainable Power and Energy Center e direttore dell'UC San Diego Institute for Materials Discovery and Design, Meng è un membro chiave di un gruppo di ricercatori in prima linea in tutta la ricerca e lo sviluppo di batterie a stato solido presso l'UC San Diego.
Creazione di interfacce chimiche elettrolitiche solide stabili
Gli elettroliti allo stato solido hanno fatto molta strada dai loro primi giorni, quando i primi elettroliti scoperti avevano mostrato valori di conducibilità troppo bassi per applicazioni pratiche. Gli avanzati elettroliti allo stato solido di oggi mostrano conduttività superiori anche a quelle degli elettroliti liquidi convenzionali utilizzati nelle batterie odierne (maggiori di 10 mS cm -1 ). La conduttività ionica si riferisce alla velocità con cui gli ioni di litio possono muoversi all'interno dell'elettrolita.
Sfortunatamente, la maggior parte degli elettroliti solidi altamente conduttivi riportati sono spesso elettrochimicamente instabili e presentano problemi quando applicati contro i materiali degli elettrodi utilizzati nelle batterie.
"A questo punto, dovremmo spostare la nostra attenzione dalla ricerca di una maggiore conduttività ionica. Anziché, dovremmo concentrarci sulla stabilità tra elettroliti a stato solido ed elettrodi, " disse Meng.
Se la conduttività ionica è analoga alla velocità di guida di un'auto, quindi la stabilità dell'interfaccia si riferisce a quanto sia difficile superare il traffico dell'ora di punta. Non importa quanto veloce possa andare la tua auto se sei bloccato nel traffico mentre vai al lavoro.
I ricercatori della UC San Diego hanno recentemente affrontato questo collo di bottiglia della stabilità dell'interfaccia, dimostrando come stabilizzare l'interfaccia elettrodo-elettrolita e migliorare le prestazioni della batteria utilizzando elettroliti solidi con conduttività ioniche moderate ma presentano interfacce stabili.
Nuovi strumenti per in operando diagnosi e caratterizzazione
Perché le batterie si guastano? Perché si verifica il cortocircuito? Il processo di comprensione di ciò che accade all'interno di una batteria richiede una caratterizzazione su scala nanometrica, idealmente in tempo reale. Per le batterie completamente allo stato solido, questo è immensamente impegnativo.
La caratterizzazione della batteria si basa in genere sull'utilizzo di sonde come raggi X, o microscopia elettronica o ottica. Nelle batterie commerciali agli ioni di litio, gli elettroliti liquidi utilizzati sono trasparenti, consentendo l'osservazione di vari fenomeni ai rispettivi elettrodi. In alcuni casi, questo liquido può anche essere lavato via per fornire una superficie più pulita per una caratterizzazione a risoluzione più elevata.
"Abbiamo un tempo molto più facile osservare le batterie agli ioni di litio di oggi. Ma nelle batterie a stato solido, tutto è solido o sepolto. Se provi le stesse tecniche per le batterie a stato solido, è come cercare di vedere attraverso un muro di mattoni, " ha detto Darren H. S. Tan, un dottorato di ricerca in nanoingegneria. candidato alla UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Inoltre, gli elettroliti solidi e il litio metallico utilizzati nelle batterie allo stato solido possono essere sensibili ai danni del fascio di elettroni. Ciò significa che le tecniche di microscopia elettronica standard utilizzate per studiare le batterie danneggerebbero i materiali di interesse prima che possano essere osservati e caratterizzati.
Un modo in cui i ricercatori della UC San Diego stanno superando queste sfide è l'utilizzo di metodi criogenici per mantenere freschi i materiali delle batterie, mitigando la loro decomposizione sotto la sonda del microscopio elettronico.
Un altro strumento utilizzato per superare gli ostacoli alla caratterizzazione delle interfacce elettrolitiche solide è la tomografia a raggi X. Questo è simile a ciò che gli esseri umani subiscono durante i loro controlli sanitari. L'approccio è stato utilizzato in un recente articolo che riportava l'osservazione, senza aprire o interrompere la batteria stessa, di dendriti di litio sepolti all'interno dell'elettrolita solido.
Producibilità scalabile e conveniente
I progressi nella ricerca sulle batterie spesso non significano molto se non sono scalabili. Ciò include i progressi per le batterie completamente allo stato solido. Se questa classe di batterie deve entrare nel mercato nei prossimi anni, la comunità delle batterie ha bisogno di modi per produrre e gestire i materiali sensibili dei suoi componenti in modo conveniente e su larga scala.
Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno sviluppato, in laboratorio, vari materiali elettrolitici solidi che presentano proprietà chimiche ideali per le batterie. Sfortunatamente, molti di questi materiali promettenti sono troppo costosi o troppo difficili da scalare per la produzione ad alto volume. Per esempio, molti diventano molto fragili quando resi abbastanza sottili per la produzione roll-to-roll, che richiede spessori inferiori a 30 micrometri.
Inoltre, metodi per produrre elettroliti solidi su scala più ampia non sono ben stabiliti. Ad esempio, la maggior parte dei protocolli di sintesi richiede processi energetici multipli che includono fresature multiple, ricottura termica e fasi di lavorazione della soluzione.
Per superare tali limiti, i ricercatori della UC San Diego stanno unendo più campi di competenza. Stanno combinando la ceramica utilizzata nelle scienze dei materiali tradizionali con i polimeri utilizzati nella chimica organica per sviluppare elettroliti solidi flessibili e stabili che siano compatibili con processi di produzione scalabili. Per affrontare i problemi di sintesi dei materiali, il team riferisce anche come i materiali elettrolitici solidi possono essere prodotti in modo scalabile utilizzando la fabbricazione in un unico passaggio senza la necessità di ulteriori passaggi di ricottura.
Batterie progettate per la riciclabilità
Le batterie esaurite contengono materiali preziosi e in quantità limitata come il litio e il cobalto che possono essere riutilizzati.
Quando raggiungono la fine del loro ciclo di vita, queste batterie devono andare da qualche parte, oppure verranno semplicemente accumulati nel tempo come rifiuti.
I metodi di riciclaggio di oggi, però, sono spesso costosi, ad alta intensità di energia e tempo, e includere sostanze chimiche tossiche per la lavorazione. Inoltre, questi metodi recuperano solo una piccola frazione dei materiali della batteria a causa dei bassi tassi di riciclaggio degli elettroliti, sali di litio, separatore, additivi e materiali di imballaggio. In gran parte, questo perché le batterie odierne non sono state progettate fin dall'inizio tenendo conto della riciclabilità economicamente vantaggiosa.
I ricercatori della UC San Diego sono in prima linea negli sforzi per progettare la riutilizzabilità e la riciclabilità nelle batterie completamente allo stato solido di domani.
"La riutilizzabilità e la riciclabilità convenienti devono essere integrate nei progressi futuri necessari per sviluppare batterie completamente allo stato solido che forniscano elevate densità di energia di 500 wattora per kg o superiori, Zheng Chen, professore di nanoingegneria della UC San Diego. "È fondamentale non commettere gli stessi errori di riciclabilità che sono stati commessi con le batterie agli ioni di litio".
Anche le batterie devono essere progettate tenendo conto del loro intero ciclo di vita. Ciò significa progettare batterie destinate a rimanere in uso anche dopo che sono scese al di sotto del 60-80 percento della loro capacità originale, che spesso segna la fine della vita utile di una batteria. Questo può essere fatto esplorando usi secondari per le batterie come lo stoccaggio stazionario o per l'alimentazione di emergenza, estendendo la durata della loro vita prima che arrivino finalmente ai centri di riciclaggio.
Le batterie a stato solido con elettroliti organici offrono grandi promesse come tecnologia futura delle batterie che fornirà un'elevata densità di energia, sicurezza, lunga durata e riciclabilità. Ma trasformare queste possibilità in realtà richiederà sforzi di ricerca strategica che considerino come le restanti sfide, compresa la riciclabilità, sono correlati.
