Design innovativo della batteria: più energia e meno impatto ambientale

Tra le promettenti batterie ad alte prestazioni della prossima generazione, le batterie al litio-metallo sono in prima linea. Possono immagazzinare almeno il doppio dell'energia per unità di volume rispetto alle batterie agli ioni di litio oggi ampiamente utilizzate. Ciò significa che un'auto elettrica può percorrere il doppio della distanza con una singola carica o che uno smartphone deve essere ricaricato meno spesso.

Attualmente, tuttavia, le batterie al litio-metallo presentano ancora uno svantaggio decisivo: al liquido elettrolitico devono essere aggiunte grandi quantità di solventi e sali contenenti fluoro, a scapito della loro impronta ecologica. Senza questo fluoro, le batterie al litio-metallo sarebbero instabili, smetterebbero di funzionare dopo pochi cicli di carica e potrebbero verificarsi cortocircuiti o surriscaldarsi e incendiarsi. Maria Lukatskaya, l'ETH Professor of Electrochemical Energy Systems, e il suo team hanno ora sviluppato un nuovo metodo per ridurre drasticamente la quantità di fluoro nelle batterie al litio-metallo, rendendole più ecologiche, stabili ed economiche.

Efficienza e sicurezza grazie a uno strato protettivo stabile

I composti fluorurati dell'elettrolita contribuiscono alla formazione di uno strato protettivo intorno al litio metallico nel polo negativo della batteria. "Possiamo paragonare questo strato protettivo allo smalto dei denti. Protegge il litio metallico dalla costante reazione con i componenti dell'elettrolita", spiega Lukatskaya. Senza questo strato protettivo, l'elettrolita si svuoterebbe rapidamente durante il processo di carica, la cella si guasterebbe e la mancanza di uno strato protettivo stabile porterebbe alla formazione di picchi di litio metallico - "dendriti" - durante il processo di carica, invece di uno strato piatto uniforme.

Se queste dendriti raggiungono il terminale positivo, si verifica un cortocircuito e la batteria potrebbe riscaldarsi a tal punto da prendere fuoco. Il controllo delle proprietà dello strato protettivo è quindi fondamentale per le prestazioni di una batteria. Uno strato protettivo stabile aumenta l'efficienza, la sicurezza e la durata di una batteria.

Ridurre al minimo il contenuto di fluoro

"Abbiamo pensato a come ridurre la quantità di fluoro aggiunto senza che lo strato protettivo perdesse stabilità", spiega il dottorando Nathan Hong. Il metodo appena sviluppato utilizza l'attrazione elettrostatica per ottenere la reazione desiderata. I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un concetto in cui molecole contenenti fluoro caricate elettricamente fungono da veicolo per portare il fluoro allo strato protettivo. In questo modo, hanno bisogno solo dello 0,1% di fluoro in peso rispetto al liquido elettrolita, una quantità almeno 20 volte inferiore rispetto agli studi precedenti.

Metodo ottimizzato per batterie più ecologiche

In una recente pubblicazione pagina esternaPubblicazione Nella rivista Energy & Environmental Science, i ricercatori dell'ETH descrivono il metodo appena sviluppato e i suoi principi di base, per i quali hanno anche fatto richiesta di brevetto. Lukatskaya ha svolto questa ricerca nell'ambito di un progetto SNSF Starting Grant.

Una delle sfide più grandi è stata quella di trovare la molecola giusta a cui il fluoro potesse essere attaccato e che si decomponesse di nuovo nelle giuste condizioni una volta raggiunto il litio metallico. Uno dei principali vantaggi del metodo è che può essere perfettamente integrato nel processo di produzione esistente senza generare costi aggiuntivi per l'adattamento delle attrezzature di produzione. In laboratorio, le batterie avevano le dimensioni di una moneta. Nella fase successiva, i ricercatori intendono testare la scalabilità del metodo e passare alle celle a sacchetto, come quelle utilizzate negli smartphone.