Prolungata la durata delle batterie al litio metallico grazie ad uno strato di rivestimento per l'anodo a base di nanofibre ecologiche
Come superare le instabilità chimiche e meccaniche negli anodi in litio metallico, una delle grandi promesse delle batterie di nuova generazione? I ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ci hanno provato utilizzando acqua e gomma di guar. Il risultato? Sono riusciti ad estendere la durata di questi elettrodi del 750% rispetto all’attuale valore standard.
Anodi in litio metallico, pro e contro
Il litio metallico ha fatto la sua comparsa tra i materiali anodici relativamente di recente. I suoi punti di forza? Un’elevata capacità specifica teorica e un basso potenziale elettrochimico, che regalano alla batteria una capacità energetica ultra elevata (3.860 mAh/g).
Tuttavia gli anodi in litio metallico presentano anche diverse sfide tecniche legate ai cicli di carica-scarica. Ad esempio vanno in contro alla formazione di dendriti (strutture aghiformi ramificate) e di litio morto. Questi problemi determinano una scarsa efficienza coulombica, una grave variazione di volume e danni interni capaci, in alcuni casi, anche di provocare pericolose esplosioni.
Una delle soluzioni in questo campo consiste nell’applicare degli strati protettivi sulla superficie del materiale per creare un’interfaccia artificiale con l’elettrolita. Questo approccio si è basato per lo più su processi tossici e materiali costosi, con risultati nella pratica abbastanza limitati.
È a questo punto che si inserisce il nuovo studio del professor Il-Doo Kim del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria del KAIST, in collaborazione con il professor Jiyoung Lee dell’Università di Ajou. Il gruppo ha stabilizzato la crescita dendritica del litio e aumentato la durata di vita delle relative batterie al litio metallico attraverso un approccio più ecologico.
Uno strato di rivestimento ecologico e biodegradabile
Il team ha creato uno strato protettivo in nanofibre cave in grado di controllare la crescita degli ioni di litio attraverso mezzi sia fisici che chimici. I materiali di base? Gomma di guar e acqua (usata come solvente) impiegati in un processo di elettrofilatura. “Gli spazi vuoti all’interno delle fibre sopprimevano l’accumulo casuale di ioni di litio sulla superficie metallica, stabilizzando l’interfaccia tra la superficie metallica di litio e l’elettrolita”, spiega il KAIST. “Di conseguenza, gli anodi al litio metallico con questo strato protettivo hanno dimostrato un aumento di circa il 750% della durata rispetto agli anodi al litio metallico convenzionali. La batteria ha mantenuto il 93,3% della sua capacità anche dopo 300 cicli di carica-scarica, ottenendo prestazioni di livello mondiale”.
I ricercatori hanno anche verificato che questo strato protettivo naturale si decompone completamente nel terreno nel giro di circa un mese, dimostrando la sua natura ecologica durante tutto il processo di produzione e smaltimento. Il loro studio è pubblicato sulla rivista Advanced Materials .
