Un nuovo metodo di screening accelera la progettazione di batterie allo stato solido stabili e ad alte prestazioni
La piattaforma di screening computerizzato cerca tra migliaia di potenziali materiali nel minor tempo possibile
In uno sforzo di collaborazione, i ricercatori dell'Università di Bayreuth e dell'Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong hanno identificato un materiale chiave che migliora significativamente le prestazioni e la durata delle batterie al litio-metallo allo stato solido. La scoperta è stata possibile grazie a un metodo di screening high-throughput supportato da un database di nuova concezione, che rappresenta un approccio innovativo alla progettazione delle batterie. I risultati sono riportati nella prestigiosa rivista Nature Communications.
Le batterie agli ioni di litio convenzionali utilizzano elettroliti liquidi, ma le batterie allo stato solido li sostituiscono con materiali solidi, offrendo vantaggi significativi in termini di sicurezza e densità energetica. Tuttavia, questo elettrolita solido spesso reagisce in modo indesiderato con l'elettrodo di litio-metallo della batteria alla loro interfaccia. Queste reazioni chimiche ostacolano il flusso di ioni, riducendo l'efficienza e causando il degrado prematuro della batteria.
I ricercatori guidati dal professor Francesco Ciucci, titolare della cattedra di Progettazione di elettrodi per sistemi energetici elettrochimici presso l'Università di Bayreuth, in collaborazione con l'Università di Scienze e Tecnologie di Hong Kong, hanno affrontato questa sfida cercando un materiale "interstrato" protettivo da interporre tra l'elettrodo e l'elettrolita, impedendo le reazioni dannose. Hanno sviluppato una potente piattaforma di screening high-throughput guidata da un database che ha valutato rapidamente migliaia di potenziali candidati in base a criteri chiave come la stabilità termodinamica, la compatibilità con il litio e l'elettrolita, la reattività autolimitata e l'elevata conducibilità degli ioni di litio.
Tra gli oltre 20.000 composti esaminati, l'ossicloruro di litio è emerso come l'intercalare ottimale per la chimica della batteria esaminata. Le celle che incorporano questo strato hanno conservato il 76% della loro capacità iniziale dopo 1.000 cicli di carica e scarica, mentre le celle non modificate hanno conservato solo il 5%. Anche in caso di cicli ad alta velocità, le celle modificate hanno funzionato in modo affidabile per oltre 1.600 cicli.
"Il nostro studio presenta un nuovo approccio allo sviluppo di batterie allo stato solido migliorate", afferma Ciucci. "Oltre al nuovo uso specifico di questo materiale antiperovskite ricco di Li, il valore del nostro lavoro risiede nel quadro di screening high-throughput basato su database che abbiamo sviluppato per la progettazione degli intercalari. Fornisce un modello versatile per le innovazioni future e consente di identificare rapidamente i materiali ottimali per un'ampia gamma di chimiche e progetti di batterie".
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