I ricercatori hanno progettato elettrodi compositi a stato solido basati sulla tecnica di sinterizzazione in fase liquida. Credito:Nano Research
Le batterie allo stato solido per veicoli elettrici, che offrono una maggiore densità di energia e autonomia rispetto alle moderne batterie agli ioni di litio, rimangono fuori portata, anche a causa delle sfide derivanti dalla composizione del catodo della batteria. Una nuova composizione del catodo e la relativa tecnica di fabbricazione sembrano destinate a superare questo ostacolo.
Un articolo che descrive il processo di produzione è apparso sulla rivista Nano Research il 24 marzo.
Le batterie ricaricabili a stato solido (quelle completamente solide, prive di componenti liquidi) sono state a lungo ricercate come la prossima generazione di accumulo di energia, non ultimo per i veicoli elettrici e altre applicazioni di mitigazione del clima. Sarebbero più leggere, più dense di energia, offrendo una maggiore autonomia e una ricarica più rapida rispetto all'attuale generazione di batterie agli ioni di litio.
L'elettrolita liquido utilizzato in quest'ultimo è il mezzo attraverso il quale scorre la corrente tra gli elettrodi positivo e negativo (rispettivamente il catodo e l'anodo). Ma il liquido rende pesante la batteria. È anche infiammabile e gli incendi non sono un evento raro. In una batteria a stato solido, un elettrolita solido in ceramica, vetro o polimero è molto più sicuro in quanto non vi sono perdite o schizzi durante il trasporto e offre una migliore densità di potenza, ciclicità e durata di conservazione.
La chiave per far funzionare le batterie a stato solido è progettare un buon catodo che sia in grado di offrire un'elevata tensione operativa e un'elevata capacità di area. Quest'ultimo termine descrive la quantità di carica di energia in una batteria per unità di area per un determinato periodo di tempo. L'unità comunemente usata per descrivere questa quantità è il milliampere-ora (mAh) - o la quantità di carica di energia che consentirà a un ampere di corrente di fluire per un'ora - rispetto a una data quantità di area (tipicamente misurata in centimetri quadrati, o cm 2 ). In sostanza, questa misura, mAh/cm 2 , offre un'indicazione della durata di una batteria senza doverla ricaricare, per la quantità di spazio che occupa in un dispositivo.
"La maggior parte delle tecnologie di produzione di catodi compositi che sono state esplorate finora si traducono in batterie che non eguagliano nemmeno le prestazioni delle batterie commerciali esistenti, per non parlare di superarle, raggiungendo circa 3 mAh/cm 2 ", ha affermato Jizhang Chen del College of Materials Science and Engineering presso la Nanjing Forestry University e autore principale del documento.
Queste tecnologie catodiche soffrono anche della necessità di aggiungere una quantità eccessiva di leganti e agenti conduttivi per garantire che tutte le particelle attive siano distribuite uniformemente. Ciò riduce la densità del catodo, aumenta il costo e produce anche una grande resistenza all'interfaccia del catodo e dell'elettrodo.
Quindi i ricercatori hanno sviluppato una nuova composizione del catodo e una tecnica di produzione di accompagnamento che supera queste sfide offrendo al contempo un'elevata capacità dell'area. La quantità di leganti e agenti conduttivi, in questo caso idrossido di litio e acido borico, aggiunti è sostanzialmente ridotta (fino a circa il quattro percento del peso complessivo). Questi sono usati come additivi nel processo di sinterizzazione durante la formazione del catodo.
La sinterizzazione è un metodo per compattare una polvere in una massa solida tramite calore o pressione senza fonderla al punto da diventare un liquido. In questo caso, però, rimane una fase liquida per almeno alcuni componenti mentre altri rimangono in polvere per dare una spinta al legame tra le particelle.
L'idrossido di litio e l'acido borico, con i loro bassi punti di fusione, si infiltrano come liquidi in una polvere di un composto di litio ricco di nichel (LiNi0,8 Mn0.1 Co0.1 , o "NMC811") a una temperatura moderatamente elevata (circa 350 ℃). Ciò non solo consente un intimo contatto fisico tra le particelle di polvere, ma riduce anche la necessità di un'elevata quantità di additivi e favorisce un processo di densificazione.
Il catodo composito risultante ha fornito prestazioni promettenti, raggiungendo una capacità dell'area superiore a 8 mAh/cm 2 entro un'ampia gamma di tensioni fino a 4,4 V. Questo dovrebbe essere utilizzato per produrre batterie a stato solido con una densità di energia di 500 wattora per chilogrammo (Wh/kg), battendo facilmente i 100-265 Wh/kg di energia densità offerta dalle moderne batterie agli ioni di litio. + Esplora ulteriormente
