Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory hanno compiuto progressi verso una batteria agli ioni di litio di maggiore capacità per soddisfare la crescente domanda dei consumatori.

Con il crescente numero di veicoli elettrici in circolazione e la crescente dipendenza dall'elettronica di consumo, la domanda non è mai stata così grande per lo sviluppo di batterie agli ioni di litio (LIB) in grado di sostenere una maggiore capacità energetica, o la quantità di carica immagazzinata all'interno della batteria.

Un modo per aumentare la capacità energetica complessiva dei LIB è aumentare la capacità energetica dell'anodo, o l'elettrodo negativo. Negli ultimi decenni, i LIB di ultima generazione sono stati realizzati con anodi di grafite. La capacità energetica della grafite è stabile, il che significa che la capacità non svanisce, e il materiale non si rompe anche dopo più di 1000 cicli completi di carica-scarica. Però, la grafite ha una bassa capacità energetica teorica, che non possono soddisfare le crescenti esigenze energetiche della società odierna.

In un nuovo studio, un team guidato da ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory ha dimostrato la maggiore capacità di un potenziale nuovo, materiale anodico di maggiore capacità. Questo materiale composito era stato originariamente sviluppato per batterie agli ioni di sodio, che sono più raramente utilizzati commercialmente rispetto alle batterie agli ioni di litio. Questo nuovo studio ha cercato di applicare il materiale alle batterie agli ioni di litio.

Recentemente, due materiali sono stati in prima linea nella ricerca per gli anodi delle batterie di nuova generazione:silicio e fosforo. Sia il silicio che il fosforo hanno una capacità energetica teorica almeno 10 volte maggiore della grafite, il che significa che potrebbero superare i requisiti di capacità energetica per i LIB. Secondo lo scienziato dei materiali senior e Argonne Distinguished Fellow Khalil Amine, il ricercatore capo dello studio Argonne, il silicio ha due problemi principali. Il primo problema riguarda l'espansione ad alto volume quando il silicio viene litiato durante la carica, che probabilmente causerebbe la rottura del materiale dell'anodo. Il cracking comporterebbe una perdita di capacità energetica, Lui ha spiegato.

Il secondo problema riguarda un termine chiamato efficienza coulombina iniziale (ICE). Quando una batteria passa attraverso un ciclo completo di carica-scarica, l'uscita di carica della batteria teoricamente dovrebbe corrispondere all'ingresso di carica. Però, una parte dell'energia nell'uscita di carica viene persa al litio che reagisce con il materiale dell'anodo. Per sviluppare un LIB pratico, il rapporto tra la carica in uscita rispetto alla carica in ingresso nel primo ciclo di carica-scarica dovrebbe essere superiore al 90%. Questo rapporto è l'ICE. Con il silicio, l'ICE è inferiore all'80%, che Amine ha spiegato lo rende impraticabile per l'uso pratico.

Nella loro ricerca, ammina, Il chimico delle Argonne Gui-Liang Xu, e i loro colleghi hanno esplorato due potenziali tipi di fosforo:fosforo nero e rosso. "Il fosforo ha una capacità energetica molto elevata, " ha detto Xu. "Quando abbiamo esplorato il materiale, abbiamo scoperto che il nostro materiale anodico ha un ICE molto alto di oltre il 90%."

Un ICE superiore al 90% dimostra che si verificano pochissime reazioni collaterali tra il materiale dell'anodo e l'elettrolita, quindi non si perde molto litio durante la carica e la scarica iniziali.

Il team ha creato il proprio composito anodico composto principalmente da fosforo nero, una forma di fosforo altamente conduttivo con un'elevata capacità teorica, e composti di carbonio conduttivo.

Per creare il composto, i ricercatori hanno macinato il materiale sfuso di fosforo e il carbonio conduttivo in particelle di dimensioni micrometriche, che aumenta la densità dell'anodo.

Quando si misurano i cicli di vita, o il numero totale di volte in cui una batteria può essere caricata e scaricata, Amine e i suoi colleghi si sono rivolti all'Advanced Photon Source (APS) di Argonne e al Center for Nanoscale Materials (CNM), entrambe le strutture per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE. Impiegando la diffrazione dei raggi X con sorgente luminosa ad anello di accumulo in situ presso l'APS e la microscopia elettronica a scansione in situ presso il CNM, il team ha osservato la fase dell'anodo e la trasformazione del volume durante la carica e la scarica ripetute.

"Argonne ha abilità uniche disponibili presso l'APS e il CNM, " disse Xu. "Con la sorgente luminosa ad anello di immagazzinamento, possiamo sondare la trasformazione di fase durante la litiazione e la delitiazione, che ci permette di vedere la reversibilità della reazione."

Dopo aver mostrato la stabilità del composito di fosforo nero, il team ha studiato un composito con fosforo rosso anziché fosforo nero. Fosforo nero, sebbene significativamente più conduttivo del fosforo rosso, è troppo costoso per l'uso pratico sul mercato. Con il composto di fosforo rosso, che è un'opzione economicamente valida, la batteria ha mostrato una stabilità simile e un ICE elevato, con una capacità pratica molto elevata.

Il team sta attualmente lavorando su un materiale composito composto principalmente da fosforo rosso, e il materiale mostra risultati promettenti, ha detto Xu. "Stiamo cercando di avviare una collaborazione con i partner del settore in modo da poter ampliare questo materiale, in modo che possa essere commercializzato in futuro."

Il documento di ricerca sullo studio, "Un pratico materiale anodico a base di fosforo per batterie agli ioni di litio ad alta energia, " apparso online il 26 aprile, 2020, in NanoEnergia.