Una nuova "armatura chimica" potrebbe aprire la strada al Santo Graal della tecnologia delle batterie allo stato solido
Un semplice rivestimento applicato in un unico passaggio crea uno strato protettivo ibrido in silicio-indio sul litio metallico, quadruplicando la densità di corrente e prolungando la durata del ciclo di vita della batteria
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E se ricaricare la propria auto elettrica non richiedesse più tempo di quanto ne occorre per fare il pieno di benzina e la batteria durasse per decenni? Da tempo gli scienziati ripongono le loro speranze nelle batterie al litio metallico per trasformare questa visione in realtà. Soprannominato il «Santo Graal» dello stoccaggio di energia, il litio metallico offre una capacità teorica quasi dieci volte superiore a quella della grafite utilizzata negli smartphone e nei veicoli elettrici odierni. Eppure, ogni volta che i ricercatori si avvicinano all’obiettivo, il metallo genera filamenti microscopici simili ad alberi chiamati dendriti che perforano la batteria, causano cortocircuiti e possono persino provocare incendi.
Questa illustrazione mostra la formazione in situ dello strato intermedio PFSIn-Li su un anodo di litio metallico. Un precursore liquido contenente un polimero silossanico fluorurato e un sale di indio reagisce sulla superficie del litio generando un film ibrido multifunzionale. La rete polimerica organica si interpenetra con nanodomini inorganici di fluoruro di litio, lega di litio-indio e ossido di litio-silicio, inibendo contemporaneamente la crescita dei dendriti e stabilizzando l’interfaccia con l’elettrolita solido a base di solfuro.
©Science China Press
Ora, un team dell’Università di Xidian in Cina potrebbe aver trovato un modo per domare questo metallo ribelle con un espediente chimico sorprendentemente semplice: rivestirne la superficie con un liquido che si trasforma in situ in un’armatura resistente e multifunzionale.
In uno studio pubblicato su SCIENCE CHINA Chemistry, i ricercatori guidati dai professori Siwu Li, Weiwei Wu e Chuang Yu descrivono un rivestimento realizzato in un unico passaggio mediante colata in soluzione che trasforma una superficie standard di litio metallico in uno scudo ibrido. Il rivestimento combina un polimero a base di silicio con cloruro di indio. Una volta applicato al litio, la naturale reattività chimica del metallo innesca una reazione di riduzione in situ. I gruppi fluorurati del polimero si trasformano in fluoruro di litio, un isolante elettrico estremamente resistente, mentre gli ioni di indio si riducono e si legano al litio formando minuscole nanoparticelle. Tutto ciò avviene all’interno di una pellicola flessibile, spessa 12 micrometri, che aderisce saldamente alla superficie del litio.
«Questo strato ibrido agisce come una fortezza intelligente», spiega l’autore corrispondente Siwu Li. «La struttura portante del polimero offre la flessibilità necessaria per assorbire lo stress meccanico causato dall’espansione e dalla contrazione del litio. La fase di fluoruro di litio blocca gli elettroni per impedire la nucleazione dei dendriti. E le nanoparticelle di lega di litio-indio fungono da conduttori del traffico, guidando gli ioni di litio a depositarsi in modo uniforme anziché accumularsi in pericolosi picchi».
I numeri raccontano una storia sorprendente. Nei test su celle simmetriche, l’anodo al litio protetto ha sostenuto una densità di corrente critica di 3,5 mA cm⁻², più di quattro volte gli 0,8 mA cm⁻² che il litio non protetto è in grado di sopportare prima di guastarsi. Nelle celle complete abbinate a un catodo di ossido di nichel-cobalto-manganese e a un elettrolita solido a base di solfuro, il nuovo design ha fornito una capacità iniziale di 129,8 mA·h g⁻¹ e ha mantenuto l’82,3% di tale capacità dopo 300 cicli a 0,5C. Le celle al litio non protette hanno mantenuto solo il 43,0%.
I ricercatori hanno utilizzato tecniche avanzate di spettroscopia e microscopia per confermare l’architettura ibrida. La diffrazione dei raggi X e la spettroscopia fotoelettronica hanno rivelato reti organiche di silossano accanto a fluoruro di litio cristallino, indio metallico e lega di litio-indio. La microscopia elettronica a sezione trasversale ha mostrato un film denso e uniforme, privo di crepe o fessure.
È importante sottolineare che questa composizione chimica è compatibile con la produzione industriale roll-to-roll. Poiché il rivestimento viene applicato sotto forma di una semplice soluzione liquida, potrebbe essere integrato nelle linee di produzione di batterie esistenti utilizzando tecniche di rivestimento a fessura o a rotocalco, senza la necessità di costose camere a vuoto.
Le batterie allo stato solido sono ampiamente considerate la prossima frontiera per i veicoli elettrici e l’accumulo di energia su scala di rete, poiché sostituiscono gli elettroliti liquidi infiammabili con materiali solidi più sicuri. Gli elettroliti a base di solfuro sono particolarmente interessanti grazie alla loro conduttività ionica eccezionalmente elevata, ma la loro instabilità nei confronti del litio metallico ha rappresentato un ostacolo significativo. Questa nuova strategia di ingegneria delle interfacce rimuove efficacemente tale ostacolo senza compromettere le prestazioni.
Il team ritiene che il proprio approccio apra la strada alla progettazione di altre interfacce ibride, sostituendo l’indio con metalli alternativi quali lo stagno o lo zinco. Per ora, la chimica del polisilossano-indio offre un percorso scalabile e a basso costo verso batterie ad alta energia e lunga durata che un giorno potrebbero alimentare qualsiasi cosa, dall’aviazione elettrica alle reti di energia rinnovabile.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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