Il nuovo metodo di adescamento migliora la durata della batteria fino al 44%

Di Rice University, 8 luglio 2023

I ricercatori della Rice University hanno sviluppato un metodo scalabile per aumentare la durata delle batterie agli ioni di litio utilizzando la prelitiazione, un processo che riveste gli anodi di silicio con particelle metalliche di litio stabilizzate, migliorando la durata della batteria fino al 44%.

Il potenziale delle batterie con anodi di silicio nel trasformare le soluzioni di stoccaggio dell’energia è fondamentale per raggiungere gli obiettivi climatici e realizzare appieno le capacità dei veicoli elettrici.

Tuttavia, la persistente perdita di ioni di litio negli anodi di silicio rappresenta un ostacolo significativo 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).

Quan Nguyen (a sinistra), Sibani Lisa Biswal e i suoi collaboratori hanno sviluppato una tecnica di prelitiazione che aiuta a migliorare le prestazioni delle batterie agli ioni di litio con anodi di silicio. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

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.

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">l'atomo può legarsi con un massimo di quattro ioni di litio.

Quan Nguyen è un alunno di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare e autore principale dello studio. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

"Il silicio è uno di quei materiali che ha la capacità di migliorare realmente la densità energetica 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.

Quan Nguyen (a sinistra) e Sibani Lisa Biswal. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

"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.