Il nuovo metodo di adescamento migliora la durata della batteria e l'efficienza

Le batterie all’anodo di silicio hanno il potenziale per rivoluzionare le capacità di stoccaggio dell’energia, che è fondamentale per raggiungere gli obiettivi climatici e sbloccare il pieno potenziale dei veicoli elettrici.

Tuttavia, l’esaurimento irreversibile degli ioni di litio negli anodi di silicio pone un grosso limite allo sviluppo delle batterie agli ioni di litio di prossima generazione.

Gli scienziati della George R. Brown School of Engineering della Rice University hanno sviluppato un metodo facilmente scalabile per ottimizzare la prelitiazione, un processo che aiuta a mitigare la perdita di litio e migliora i cicli di vita della batteria rivestendo gli anodi di silicio con particelle di litio metallico stabilizzate (SLMP).

Il laboratorio Rice dell'ingegnere chimico e biomolecolare Sibani Lisa Biswal ha scoperto che il rivestimento a spruzzo degli anodi con una miscela di particelle e un tensioattivo migliora la durata della batteria dal 22% al 44%. Le celle della batteria con una maggiore quantità di rivestimento hanno inizialmente raggiunto una stabilità e una durata di ciclo più elevate. Tuttavia, c’era uno svantaggio: quando veniva utilizzata a piena capacità, una maggiore quantità di rivestimento di particelle portava a un maggiore intrappolamento del litio, causando uno sbiadimento più rapido della batteria nei cicli successivi. Lo studio è pubblicato su ACS Applied Energy Materials.

Sostituire la grafite con il silicio nelle batterie agli ioni di litio migliorerebbe significativamente la loro densità energetica ⎯ la quantità di energia immagazzinata rispetto al peso e alle dimensioni ⎯ perché la grafite, che è fatta di carbonio, può accumulare meno ioni di litio rispetto al silicio. Sono necessari sei atomi di carbonio per ogni singolo ione di litio, mentre un solo atomo di silicio può legarsi con un massimo di quattro ioni di litio.

"Il silicio è uno di quei materiali che ha la capacità di migliorare realmente la densità di energia per il lato anodico delle batterie agli ioni di litio", ha affermato Biswal. "Ecco perché attualmente c'è questa spinta nella scienza delle batterie per sostituire gli anodi di grafite con quelli di silicio."

Tuttavia, il silicio ha altre proprietà che presentano sfide.

"Uno dei maggiori problemi con il silicio è che forma continuamente quella che chiamiamo interfase elettrolitica solida o strato SEI che in realtà consuma litio", ha detto Biswal.

Lo strato si forma quando l’elettrolita in una cella della batteria reagisce con gli elettroni e gli ioni di litio, risultando in uno strato di sali su scala nanometrica depositato sull’anodo. Una volta formato, lo strato isola l'elettrolita dall'anodo, impedendo il proseguimento della reazione. Tuttavia, il SEI può rompersi durante i successivi cicli di carica e scarica e, riformandosi, esaurisce ulteriormente e irreversibilmente la riserva di litio della batteria.

"Il volume di un anodo di silicio varierà durante il ciclo della batteria, il che può rompere il SEI o renderlo in altro modo instabile", ha affermato Quan Nguyen, un allievo di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare e autore principale dello studio. "Vogliamo che questo strato rimanga stabile durante i successivi cicli di carica e scarica della batteria."

Il metodo di prelitiazione sviluppato da Biswal e dal suo team migliora la stabilità dello strato SEI, il che significa che vengono esauriti meno ioni di litio quando si forma.

"La prelitiazione è una strategia progettata per compensare la perdita di litio che tipicamente si verifica con il silicio", ha affermato Biswal. "Puoi pensarlo in termini di adescamento di una superficie, come quando dipingi un muro e devi prima applicare un sottofondo per assicurarti che la vernice aderisca. La prelitiazione ci consente di "adescare" gli anodi in modo che le batterie possano avere una ciclo di vita molto più stabile e più lungo."

Sebbene queste particelle e la prelitiazione non siano una novità, il laboratorio Biswal è stato in grado di migliorare il processo in modo da poterlo facilmente incorporare nei processi di produzione delle batterie esistenti.

"Un aspetto del processo che è decisamente nuovo e che Quan ha sviluppato è stato l'uso di un tensioattivo per aiutare a disperdere le particelle", ha detto Biswal. "Questo non è stato segnalato prima, ed è ciò che consente di avere una dispersione uniforme. Quindi, invece di raggrupparsi o accumularsi in diverse tasche all'interno della batteria, possono essere distribuiti uniformemente."