Un nuovo approccio all’elettrolita delle batterie al litio-metallo potrebbe aumentare significativamente l’autonomia dei veicoli elettrici. I ricercatori hanno bisogno di un fluoro molto meno dannoso per l’ambiente per stabilizzare queste batterie.
Le batterie al litio-metallo sono in prima linea tra le promettenti batterie ad alte prestazioni della prossima generazione. 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.
Tuttavia, le batterie al litio-metallo presentano ancora un grosso svantaggio: al fluido 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, docente di sistemi energetici elettrochimici all’ETH, 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.
Come funziona una batteria al litio-metallo?
Ogni batteria è composta da un anodo con carica negativa e da un catodo con carica positiva. Nelle batterie agli ioni di litio, l’anodo è costituito da grafite. Nelle batterie al litio-metallo è costituito da litio-metallo. Un elettrolita liquido separa l’anodo dal catodo. Durante la carica, gli ioni di litio con carica positiva migrano dal catodo all’anodo. Quando gli ioni di litio raggiungono l’anodo, perdono la loro carica positiva e formano il litio-metallo.
Efficienza e sicurezza grazie a uno strato protettivo stabile
I composti fluorurati dell’elettrolita contribuiscono a formare uno strato protettivo attorno 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 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 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 elettrolitico, una quantità almeno 20 volte inferiore rispetto agli studi precedenti.
Metodo ottimizzato per batterie più ecologiche
In una recente pubblicazione sulla rivista Energy & Environmental Science, i ricercatori descrivono il metodo appena sviluppato e i suoi principi di base, per i quali hanno anche richiesto un 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 legato 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.
Riferimenti bibliografici
Hong CN, Yan M, Borodin O, Pollard TP, Wu L, Reiter M, Gomez Vazquez D, Trapp K, Yoo JM, Shpigel N, Feldblyum JI, Lukatskaya MR: Robuste interfasi per batterie da cationi fluorurati diluiti. Energy & Environmental Science, 2 maggio 2024, doi: 10.1039/d4ee00296b
Deborah Kyburz
