Batterie al litio pronte per l'inverno: gli scienziati usano la strategia dell'elettrolita "polarità-contras" per superare il freddo estremo

Un recente studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society ha proposto una strategia di progettazione dell'elettrolita "a contrasto di polarità", in grado di migliorare efficacemente le caratteristiche cinetiche e la stabilità elettrochimica delle batterie al litio-metallo in condizioni estreme di bassa temperatura.

Lo studio, guidato dai prof. CHEN Zhongwei, LUO Dan e WANG Dongdong dell'Istituto di Fisica Chimica di Dalian dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha fornito un nuovo paradigma di progettazione degli elettroliti per la costruzione di strutture di solvatazione dominate dagli anioni e resistenti alle basse temperature.

In condizioni di bassa temperatura, le batterie al litio metallico soffrono di un trasporto ionico lento negli elettroliti, di una cinetica di desolvatazione del ^Li+ ritardata e di un'intensificazione delle reazioni collaterali interfacciali. Questi problemi causano un grave degrado della capacità e una scarsa stabilità dei cicli, ostacolando la loro applicazione in ambienti estremi.

Per affrontare queste sfide, il team di ricerca ha proposto una strategia di progettazione di elettroliti "a contrasto di polarità". Questa strategia costruisce una struttura di solvatazione stabile e dominata dagli anioni a basse temperature, modulando le interazioni ione-dipolo tra anioni e solventi.

I ricercatori hanno identificato una coppia di solventi "a contrasto di polarità": il dimetossimetano (DMM), che ha la ESPmax più bassa, e il fluoroetilene carbonato (FEC), che ha la ESPmax più alta.

In particolare, l'interazione indebolita tra DMM e ^FSI- a basse temperature facilita l'ingresso degli anioni nella guaina di solvatazione del ^Li+. Nel frattempo, la FEC ancorerà ulteriormente l'^FSI- attraverso interazioni ione-dipolo potenziate, creando così un ambiente di solvatazione stabile dominato dagli anioni in condizioni criogeniche. Inoltre, le interazioni dipolo-dipolo rafforzate tra DMM e FEC promuovono la cinetica di desolvatazione del ^Li+.

Regolando con precisione le interazioni ione-dipolo e dipolo-dipolo, il team ha ottenuto una transizione di coordinazione anionica a basse temperature, fornendo un nuovo principio di progettazione per gli elettroliti nelle batterie al litio metallico a bassa temperatura.

Grazie a questa strategia, l'elettrolita induce la formazione di un'interfase di elettrolita solido ricco di LiF, consentendo una deposizione uniforme di litio e un comportamento di plating/stripping altamente reversibile a basse temperature.

La cella piena Li||SPAN ha mantenuto l'80% della sua capacità dopo 150 cicli a -40 ℃, anche con una capacità areale elevata di 4,5 mAh/cm². Inoltre, la cella pouch di livello Ah ha mostrato un ciclo stabile per 50 cicli a -20 ℃, dimostrando una buona stabilità ai cicli a bassa temperatura e la conservazione della capacità.

"Il nostro studio non solo rivela un nuovo meccanismo alla base dell'evoluzione dinamica delle strutture di solvatazione in condizioni di bassa temperatura, ma offre anche nuove basi teoriche e strategie di ricerca per la progettazione di elettroliti per batterie al litio-metallo a bassa temperatura", ha dichiarato CHEN.