Pubblicato originariamente il Stanford | Scienza delle notizie
Di Mark Shwartz
I ricercatori di Stanford hanno progettato un nuovo elettrolita per batterie al litio metallico che potrebbe aumentare l'autonomia di guida delle auto elettriche. Guarda il video qui sotto.
Un nuovo elettrolita a base di litio inventato dagli scienziati della Stanford University potrebbe aprire la strada alla prossima generazione di veicoli elettrici alimentati a batteria.
Test di combustibilità su nuovo elettrolita per batterie al litio metallico (per gentile concessione di Stanford ENERGY)
In uno studio pubblicato il 22 giugno su Nature Energy , i ricercatori di Stanford dimostrano come il loro nuovo design dell'elettrolito aumenti le prestazioni delle batterie al litio metallico, una tecnologia promettente per l'alimentazione di veicoli elettrici, laptop e altri dispositivi.
"La maggior parte delle auto elettriche funziona con batterie agli ioni di litio, che si stanno rapidamente avvicinando al loro limite teorico sulla densità di energia", ha affermato il coautore dello studio Yi Cui, professore di scienza dei materiali e ingegneria e di scienza dei fotoni presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. "Il nostro studio si è concentrato sulle batterie al litio metallico, che sono più leggere delle batterie agli ioni di litio e possono potenzialmente fornire più energia per unità di peso e volume".
Le batterie agli ioni di litio, utilizzate in tutto, dagli smartphone alle auto elettriche, hanno due elettrodi:un catodo caricato positivamente contenente litio e un anodo caricato negativamente solitamente in grafite. Una soluzione elettrolitica consente agli ioni di litio di spostarsi avanti e indietro tra l'anodo e il catodo quando la batteria viene utilizzata e quando si ricarica.
Una batteria al litio-metallo può contenere circa il doppio dell'elettricità per chilogrammo rispetto alla batteria convenzionale agli ioni di litio di oggi. Le batterie al litio metallico lo fanno sostituendo l'anodo di grafite con il litio metallico, che può immagazzinare molta più energia.
"Le batterie al litio metallico sono molto promettenti per i veicoli elettrici, dove peso e volume sono una grande preoccupazione", ha affermato il coautore dello studio Zhenan Bao, il K.K. Lee Professor presso la Scuola di Ingegneria. “Ma durante il funzionamento, l'anodo metallico al litio reagisce con l'elettrolita liquido. Ciò provoca la crescita di microstrutture di litio chiamate dendriti sulla superficie dell'anodo, che possono causare l'incendio e il guasto della batteria".
I ricercatori hanno trascorso decenni cercando di affrontare il problema dei dendriti.
"L'elettrolita è stato il tallone d'Achille delle batterie al litio metallico", ha affermato il co-autore Zhiao Yu, uno studente laureato in chimica. "Nel nostro studio, utilizziamo la chimica organica per progettare e creare in modo razionale nuovi elettroliti stabili per queste batterie."
Per lo studio, Yu e i suoi colleghi hanno esaminato se potevano affrontare i problemi di stabilità con un elettrolita liquido comune e disponibile in commercio.
"Abbiamo ipotizzato che l'aggiunta di atomi di fluoro sulla molecola dell'elettrolita avrebbe reso il liquido più stabile", ha detto Yu. “Il fluoro è un elemento ampiamente utilizzato negli elettroliti per le batterie al litio. Abbiamo sfruttato la sua capacità di attrarre elettroni per creare una nuova molecola che consenta all'anodo metallico di litio di funzionare bene nell'elettrolita."
Il risultato è stato un nuovo composto sintetico, abbreviato FDMB, che può essere facilmente prodotto sfuso.
"I progetti di elettroliti stanno diventando molto esotici", ha detto Bao. “Alcuni hanno mostrato buone promesse, ma sono molto costosi da produrre. La molecola FDMB che Zhiao ha inventato è facile da produrre in grandi quantità e abbastanza economica."
Il team di Stanford ha testato il nuovo elettrolita in una batteria al litio metallico.
I risultati furono drammatici. La batteria sperimentale ha mantenuto il 90 percento della sua carica iniziale dopo 420 cicli di carica e scarica. Nei laboratori, le tipiche batterie al litio metallico smettono di funzionare dopo circa 30 cicli.
I ricercatori hanno anche misurato l'efficienza con cui gli ioni di litio vengono trasferiti tra l'anodo e il catodo durante la carica e la scarica, una proprietà nota come "efficienza coulombica".
"Se carichi 1.000 ioni di litio, quanti ne recupera dopo la scarica?" ha detto Cui. “Idealmente vuoi 1.000 su 1.000 per un'efficienza coulombica del 100 percento. Per essere commercialmente valida, una cella della batteria necessita di un'efficienza coulombica di almeno il 99,9%. Nel nostro studio abbiamo ottenuto il 99,52% nelle semicelle e il 99,98% nelle cellule piene; una performance incredibile."
Per un potenziale utilizzo nell'elettronica di consumo, il team di Stanford ha anche testato l'elettrolita FDMB in celle a sacchetto in metallo al litio prive di anodo, batterie disponibili in commercio con catodi che forniscono litio all'anodo.
"L'idea è di utilizzare solo il litio sul lato del catodo per ridurre il peso", ha affermato il co-autore principale Hansen Wang, uno studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria. "La batteria senza anodo ha funzionato per 100 cicli prima che la sua capacità scendesse all'80 percento, non all'altezza di una batteria agli ioni di litio equivalente, che può durare da 500 a 1.000 cicli, ma è comunque una delle celle prive di anodo con le migliori prestazioni".
"Questi risultati mostrano risultati promettenti per un'ampia gamma di dispositivi", ha aggiunto Bao. "Le batterie leggere e prive di anodi saranno una caratteristica interessante per i droni e molti altri dispositivi elettronici di consumo."
Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sta finanziando un grande consorzio di ricerca chiamato Battery500 per rendere praticabili le batterie al litio metallico, che consentirebbero alle case automobilistiche di costruire veicoli elettrici più leggeri in grado di percorrere distanze molto più lunghe tra le cariche. Questo studio è stato sostenuto in parte da una sovvenzione del consorzio, che comprende Stanford e SLAC.
Migliorando anodi, elettroliti e altri componenti, Battery500 mira a triplicare la quantità di elettricità che una batteria al litio metallico può fornire, da circa 180 wattora per chilogrammo quando il programma è iniziato nel 2016 a 500 wattora per chilogrammo. Un rapporto energia/peso più elevato, o "energia specifica", è fondamentale per risolvere l'ansia da autonomia che spesso hanno i potenziali acquirenti di auto elettriche.
"La batteria senza anodo nel nostro laboratorio ha raggiunto circa 325 wattora per chilogrammo di energia specifica, un numero rispettabile", ha affermato Cui. "Il nostro prossimo passo potrebbe essere lavorare in collaborazione con altri ricercatori in Battery500 per costruire celle che si avvicinino all'obiettivo del consorzio di 500 wattora per chilogrammo".
Oltre a una maggiore durata del ciclo e una migliore stabilità, l'elettrolita FDMB è anche molto meno infiammabile degli elettroliti convenzionali, come hanno dimostrato i ricercatori in questo video.
"Il nostro studio fornisce fondamentalmente un principio di progettazione che le persone possono applicare per trovare elettroliti migliori", ha aggiunto Bao. "Abbiamo mostrato solo un esempio, ma ci sono molte altre possibilità."
Altri coautori di Stanford includono Jian Qin , assistente professore di ingegneria chimica; studiosi post-dottorato Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury e Chibueze Amanchukwu; gli studenti laureati William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng e Samantha Hung; e gli studenti universitari Yuting Ma ed Eder Lomeli. Anche Xinchang Wang dell'Università di Xiamen è un coautore. Zhenan Bao e Yi Cui sono senior fellow presso la Stanford's Istituto Precourt per l'Energia . Cui è anche ricercatore principale presso Istituto di Stanford per la scienza dei materiali e dell'energia , un comune Programma di ricerca SLAC/Stanford.
Questo lavoro è stato sostenuto anche dal programma di ricerca sui materiali delle batterie presso il DOE Office of Vehicular Technologies. La struttura utilizzata a Stanford è supportata dalla National Science Foundation.
"Test di combustibilità sul nuovo elettrolita per batterie al litio metallico", immagine in primo piano per gentile concessione del video Stanford ENERGY
