Riassunto:
I ricercatori cinesi hanno sviluppato un sottile rivestimento protettivo per gli anodi di litio metallico, che dovrebbe risolvere a lungo i principali problemi tecnici affrontati dalle batterie allo stato solido. Nei test di laboratorio, le batterie trattate con questo rivestimento hanno mantenuto l'82,3% della loro capacità iniziale dopo 300 cicli di carica-scarica; in confronto, una batteria di controllo che utilizzava litio metallico non trattato ha mantenuto un tasso di ritenzione della capacità solo del 43,0%.
Questa ricerca è stata completata dal gruppo di ricerca scientifica dell'Università di scienza e tecnologia elettronica di Xi'an e i risultati sono stati pubblicati su "Science China Chemistry". I ricercatori utilizzano un semplice trattamento chimico liquido per formare uno strato protettivo sulla superficie del litio metallico, fornendo nuove idee per migliorare la stabilità e la durata delle batterie di prossima generazione.
Il litio metallico è considerato un importante materiale candidato per le batterie ad alta densità di energia e viene addirittura chiamato il "Santo Graal" nel campo dello stoccaggio dell'energia. Teoricamente, il litio metallico può immagazzinare quasi dieci volte la quantità di elettricità per grammo dell’elettrodo negativo di grafite utilizzato nelle tradizionali batterie agli ioni di litio. Se questo vantaggio potrà essere pienamente utilizzato, si prevede che le future batterie immagazzineranno più energia a parità di peso, riducendo così il peso del pacco batterie e garantendo una maggiore autonomia di crociera ai veicoli elettrici.
Tuttavia, il litio metallico tende a depositarsi in modo irregolare durante il processo di carica e scarica, formando strutture taglienti chiamate dendriti di litio. Questi dendriti potrebbero continuare a crescere e infine perforare la struttura interna della batteria, causando cortocircuiti e rischi per la sicurezza. Allo stesso tempo, ci sono anche problemi di stabilità chimica tra il litio metallico e l’elettrolita solido solforato e le reazioni interfacciali influenzeranno le prestazioni della batteria e la durata del ciclo. Questi problemi sono sempre stati ostacoli importanti all’applicazione pratica delle batterie allo stato solido al litio metallico.
Per risolvere questo problema, un team che ha coinvolto ricercatori tra cui Li Siwu, Wu Weiwei e Yu Chuang ha combinato un polimero a base di silicio con cloruro di indio per creare un precursore liquido che può essere rivestito direttamente sulla superficie del litio metallico. Dopo che il materiale di rivestimento reagisce con il litio, sulla superficie si formerà in situ una pellicola protettiva composita con uno spessore di soli circa 12 micron, che contiene componenti come fluoruro di litio e nanoparticelle di lega di litio indio.
Questa pellicola protettiva non si limita a isolare il litio metallico dal mondo esterno, ma migliora il processo di deposizione degli ioni di litio all'interno della batteria attraverso la sinergia di diversi materiali. Lo scheletro polimerico ha un certo grado di flessibilità e può adattarsi allo stress meccanico causato dalla ripetuta espansione e contrazione del litio metallico durante la carica e la scarica; il fluoruro di litio può bloccare gli elettroni e inibire la nucleazione e la crescita dei dendriti di litio; Le nanoparticelle di lega di litio indio aiutano a guidare la deposizione uniforme degli ioni di litio ed evitano l'accumulo concentrato di litio per formare pericolose strutture taglienti.
I risultati sperimentali mostrano che la densità di corrente critica dell'elettrodo metallico rivestito di litio raggiunge 3,5 milliampere per centimetro quadrato, ovvero più di quattro volte quella dell'elettrodo non trattato, ovvero 0,8 milliampere per centimetro quadrato. La densità di corrente critica è un indicatore importante della capacità della batteria di resistere alla deposizione irregolare di litio e alla crescita dei dendriti. Un aumento del valore significa che si prevede che la batteria mantenga un funzionamento stabile a densità di corrente più elevate.
I ricercatori hanno poi applicato questo elettrodo protettivo a una batteria completa. La batteria di prova utilizza un elettrodo positivo di ossido di nichel cobalto manganese e un elettrolita solido solforato e la capacità iniziale raggiunge 129,8 mAh per grammo a una velocità di 0,5°C. Dopo 300 cicli di carica-scarica, la batteria conservava ancora l'82,3% della sua capacità iniziale. Al contrario, quando si utilizzano elettrodi metallici al litio non protetti, il tasso di mantenimento della capacità è solo del 43,0% e il divario tra i due è molto evidente.
L'analisi spettrale e l'osservazione al microscopio elettronico hanno confermato ulteriormente la composizione e la struttura dello strato protettivo. I ricercatori hanno scoperto che il rivestimento formava una pellicola relativamente densa e uniforme e non sono state osservate crepe o vuoti evidenti, il che ha fornito anche la prova a livello strutturale che può proteggere continuamente l’interfaccia tra il litio metallico e l’elettrolita solido.
Un'altra caratteristica degna di nota di questa tecnologia è la sua potenziale adattabilità industriale. A differenza di alcune tecnologie di modifica della superficie degli elettrodi che richiedono complessi processi di trattamento sotto vuoto, questa pellicola protettiva è formata mediante rivestimento diretto con un precursore liquido e reazione sulla superficie del litio metallico. In teoria, esiste la possibilità di utilizzare per la produzione le apparecchiature di rivestimento industriale esistenti, riducendo così la complessità e i costi del processo di produzione.
Il team di ricerca prevede inoltre di esplorare la possibilità di sostituire l'indio con stagno, zinco e altri elementi per ottimizzare ulteriormente la formula del materiale. L'indio è un metallo relativamente raro e costoso. Se si riuscissero a trovare materiali alternativi con prestazioni simili e costi inferiori, ciò contribuirà a migliorare l’economia dell’applicazione su larga scala di questa tecnologia in futuro.
Tuttavia, questo risultato è ancora in fase di ricerca di laboratorio. Il miglioramento delle prestazioni del ciclo ottenuto nell'esperimento non significa che le batterie in questione siano pronte per la commercializzazione. In futuro, sarà necessario verificarne ulteriormente le prestazioni in periodi di ciclo più lunghi, capacità di batterie maggiori, ambienti con temperature diverse e condizioni di produzione effettive, risolvendo al tempo stesso problemi quali il costo dei materiali, la coerenza della produzione e la stabilità dell'interfaccia a lungo termine.
I ricercatori ritengono che questo strato protettivo composito formato in situ fornisca un percorso tecnico relativamente semplice per stabilizzare gli anodi di litio metallico. Se la ricerca successiva riuscirà a dimostrare la sua affidabilità nelle batterie reali e ad ottenere una produzione su larga scala a basso costo, potrebbe spingere le batterie allo stato solido ad alta densità di energia un passo avanti verso i veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia su larga scala.
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