Una nuova generazione di elettroliti solidi
Le prime batterie ricaricabili al litio metallico sono arrivate sul mercato ma la ricerca di settore non si ferma. Rendere queste dispositivi ancora più sicuri, duraturi e capaci è infatti essenziale per trasformarli in una soluzione d’accumulo competitiva e diffusa. A dare una mano è anche il nuovo elettrolita allo stato solido messo a punto presso la Hong Kong University of Science and Technology (HKUST). L’innovazione fa compiere un vero e proprio balzo in avanti alla tecnologia a litio metallico nella versione solida ma per comprenderne la portata è necessario partire dall’inizio.
Batterie ricaricabili al litio metallico, vantaggi e svantaggi
Le batterie ricaricabili al litio metallico sono batterie secondarie con litio metallico come elettrodo negativo. Questo materiale sulla carta ha caratteristiche ottime per lo stoccaggio, a partire da una elevata capacità specifica teorica: 3.860 mAh/g. Inoltre il potenziale redox molto basso e la ridotta densità (0,59 g/cm3) lo rendono il materiale ideale. Gli svantaggi? La breve durata delle celle a causa della bassa efficienza coulombiana e della formazione di dendriti. E dal momento che entrambi questi aspetti dipendono dall’elettrolita è stato chiaro fin da subito che trovare l’elettrolita migliore potesse significare aumentare la prestazioni di queste batterie.
Gli elettroliti allo stato solido
Per ottimizzare la tecnologia nel tempo si è passati dagli elettroliti a stato liquido agli elettroliti a stato solido come i polimeri e le ceramiche inorganiche. I polimeri possono realizzare buoni contatti interfacciali con gli elettrodi, assicurando la soppressione dei dendriti di Li e buona stabilità elettrochimica ma sono limitati dalla bassa conduttività ionica.
Le ceramiche organiche possono raggiungere un’elevata conduttività ionica, pur esibendo la soppressione dei dendriti di Li, ma sono caratterizzate da un contatto interfacciale scadente con gli elettrodi e da una stabilità chimica mediocre.
Polimeri cristallini porosi, l’elettrolita allo stato solido perfetto?
È qui che entra in gioco lo studio della Hong Kong University of Science and Technology. Gli scienziati hanno focalizzato la loro attenzione su una nuova generazione di elettroliti polimerici: i polimeri cristallini porosi. Questi materiali mostrano un grande potenziale come materiali elettrolitici solidi grazie alla loro elevata stabilità, al trasporto rapido e selettivo degli ioni Litio e alla facile sintesi e scalabilità. Nel dettaglio il team ha sviluppato una nuova strategia che combina una classe di strutture organiche covalenti ioniche porose (iCOF) con un tipo di polimero chiamato poli(liquido ionico) (PIL) per la fabbricazione di un elettrolita solido ad alte prestazioni
Questo nuovo elettrolita composito ha raggiunto un’eccezionale conduttività ionica e capacità di trasporto di ioni di litio (> 0,80) a temperatura ambiente. Utilizzandolo in una cella al litio metallico il gruppo ha scoperto che la batteria presentava una capacità di scarica iniziale di 141,5 mAh/g a 1 °C e a temperatura ambiente, con un’impressionante capacità di ritenzione dell’87% su 800 cicli.Il documento di ricerca, intitolato “Batterie al litio-metallo allo stato solido ad alte prestazioni rese possibili da compositi ionici covalenti organici”, è stato pubblicato in Advanced Energy Materials.
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