Le batterie agli ioni di litio (LiBs) sono diventate la tecnologia di accumulo energetico più diffusa e utilizzata nel mondo per una vasta gamma di applicazioni, dalla microelettronica alle automobili elettriche. L’industria delle batterie sta vivendo una rapida evoluzione grazie all’aumento della domanda globale di dispositivi sempre più performanti e duraturi, e gli scienziati sono costantemente alla ricerca di materiali che possano migliorare le prestazioni senza far lievitare i costi di produzione.
Uno dei componenti fondamentali delle batterie agli ioni di litio è l’anodo, che tradizionalmente è realizzato in grafite per via del suo basso costo, della leggerezza e della durabilità. Tuttavia, recentemente sono emerse alternative promettenti che potrebbero sostituire la grafite, una delle quali sono gli anodi in lega di metalli come il silicio, lo stagno e l’alluminio. Questi anodi potrebbero offrire vantaggi significativi rispetto a quelli in grafite, tra cui la possibilità di aumentare la capacità delle batterie.
Sfide per l’adozione degli anodi in lega
Nonostante i potenziali benefici, l’uso di anodi in lega di metallo ha incontrato diversi ostacoli. Una delle principali problematiche risiede nella rapida degradazione della capacità e nelle basse efficienze Coulombiche, che riducono l’affidabilità di queste batterie nel lungo termine. Un problema critico è rappresentato dal solido interphase dell’elettrolita (SEI), uno strato protettivo che si forma sull’anodo durante il ciclo di carica della batteria. Questo strato si lega troppo strettamente agli anodi in lega, causando fratture strutturali attraverso cui l’elettrolita può infiltrarsi, generando nuovi strati SEI.
Design elettrolitico asimmetrico: una soluzione promettente
In un articolo pubblicato su Nature Energy, i ricercatori dell’Università del Maryland e dell’Università del Rhode Island hanno proposto un nuovo design elettrolitico asimmetrico che potrebbe migliorare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio con anodi in lega. Il gruppo di ricerca ha sviluppato un nuovo elettrolita basato su liquidi ionici senza solvente e solventi molecolari, capace di formare un SEI ricco di LiF (fluoruro di litio), migliorando così il ciclo di vita delle batterie con anodi di metallo.
L’innovazione dell’elettrolita NMEP
Il componente chiave dell’elettrolita asimmetrico è un composto chiamato N-methyl-N-(2-methoxyethoxy) methyl pyrrolidinium hexafluorophosphate (NMEP), che forma una interfase LiF stabile sugli anodi. Questa interfaccia consente agli anodi di mantenere la loro capacità anche dopo centinaia di cicli di carica e scarica, migliorando notevolmente la stabilità della batteria.
I ricercatori hanno testato il nuovo elettrolita su celle pouch di grandi dimensioni e hanno riscontrato che queste batterie mantenevano una capacità superiore a 140 mAh g^-1 per oltre 200 cicli, con una capacità residua superiore all’85% anche dopo 400 cicli.
| Materiale anodo | Capacità (mAh/g) | Numero cicli | Capacità residua (%) |
|---|---|---|---|
| Micro-Si | 90 | 400 | >85 |
| Li3.75Si | 70 | 400 | >85 |
Potenzialità future
Questa innovazione rappresenta un grande passo avanti nella progettazione delle batterie agli ioni di litio. In futuro, il design asimmetrico potrebbe essere testato su una vasta gamma di batterie con diverse combinazioni di anodi e catodi, aprendo la strada a soluzioni di accumulo energetico più efficienti e durevoli.
