Batterie al Litio che non si incendiano: ecco il risultato di un Team di ricerca giapponese

Un gruppo di ricercatori giapponesi ha creato una batteria agli ioni di litio quasi solida (LIB) non infiammabile, superando gli inconvenienti delle batterie tradizionali.

L’innovazione, sviluppata dagli scienziati della Doshisha University e della TDK Corporation, combina elettroliti liquidi e solidi per migliorare la sicurezza e la durata. L’aumento della densità di energia dei materiali attivi degli elettrodi positivi e negativi riduce in genere le prestazioni del ciclo e la sicurezza, ma l’innovazione offre una soluzione equilibrata.

Secondo il team, il progetto offre una soluzione più sicura e più duratura rispetto alle batterie interamente allo stato solido, pur mantenendo un’elevata densità energetica.

“Il miglioramento della sicurezza e delle prestazioni di carica/scarica ha dimostrato la fattibilità delle batterie quasi-solide come tecnologia del prossimo futuro”, ha dichiarato il team nell’abstract dello studio.
Ieri, un’azienda statunitense di tecnologie per batterie, Microvast, ha dichiarato che la sua batteria per EV completamente allo stato solido offre una maggiore densità energetica e un’autonomia più lunga.

Interfacce stabili per le batterie

Le batterie a basso consumo energetico (LIB) sono in continuo progresso per soddisfare le crescenti richieste del mercato e supportare le tecnologie sostenibili.

Migliorare la sicurezza, l’affidabilità, la densità energetica, la riciclabilità e la compatibilità ambientale rimane un aspetto critico. Sebbene gli elettroliti organici permettano di raggiungere tensioni elevate nelle LIB, essi richiedono solide misure di sicurezza. Gli elettroliti solidi offrono un’alternativa più sicura, che ha suscitato l’interesse per le batterie a stato solido.

Tuttavia, queste devono affrontare sfide per mantenere le interfacce solido/solido a causa dell’espansione e della contrazione degli elettrodi durante i cicli di carica/scarica. Per risolvere questo problema sono necessari materiali “interfase congiunta” che garantiscano elasticità, non infiammabilità ed elevata conducibilità ionica.

La nuova batteria quasi-solida agli ioni di litio (LIB) è caratterizzata da elettroliti solidi e liquidi non infiammabili.

Utilizzi delle batterie al litio

Tra i candidati promettenti vi sono elettroliti polimerici elastici e solventi organici non infiammabili. Studi recenti hanno evidenziato progressi, come l’utilizzo di gel a base di polidimetilsilossano e soluzioni di sali di litio ad alta concentrazione, per migliorare le prestazioni.

Nonostante i progressi, rimangono delle sfide, tra cui il lento trasferimento degli ioni di litio e la degradazione dell’interfaccia dovuta alle interazioni tra i materiali. L’ottimizzazione delle strutture di solvatazione e delle combinazioni di elettroliti mostra il potenziale per ridurre la resistenza e migliorare la stabilità, aprendo la strada alle LIB di prossima generazione.

Le batterie a stato solido migliorano la sicurezza, ma devono affrontare sfide legate al trasferimento degli ioni di litio e alle interfacce danneggiate. Per risolvere questi problemi, i ricercatori giapponesi hanno sviluppato una batteria agli ioni di litio quasi-solida non infiammabile, che offre maggiore stabilità, sicurezza e prestazioni, superando i limiti dei progetti convenzionali.

Prestazioni LIB avanzate

Il progetto del team consiste in un elettrodo negativo in silicio (Si) e in un elettrodo positivo in LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2 (NCM811), entrambi considerati materiali di nuova generazione per le LIB.

Una lastra di vetroceramica conduttrice di ioni di litio solida (LICGCTM) di OHARA separa questi elettrodi. Per migliorare la compatibilità e le prestazioni, i ricercatori hanno creato soluzioni elettrolitiche quasi sature e non infiammabili, specifiche per ciascun elettrodo.

Nelle soluzioni sono stati utilizzati una forma tris di  fosfato  (2,2,2-trifluorometile) e il carbonato di metile 2,2,2-trifluorometile, in quanto compatibili con l’interfaccia dell’elettrolita solido e con gli elettrodi.

Secondo i ricercatori, le celle quasi-solide della classe 30 mAh hanno mostrato eccellenti prestazioni elettrochimiche, stabilità termica e conduttività ionica.

I ricercatori hanno poi utilizzato la calorimetria a velocità accelerata (ARC), esperimenti di carica-scarica e spettroscopia di impedenza elettrochimica per valutare la stabilità termica e le prestazioni elettrochimiche delle LIB quasi-solide.

I ricercatori hanno notato l’elevata capacità di carica/scarica della batteria, le ottime prestazioni in termini di cicli e la minima variazione della resistenza interna.

Inoltre, anche a temperature elevate di circa 150 °C, la struttura Si-LICGC-NCM811 con le corrispondenti soluzioni elettrolitiche ha dimostrato una maggiore stabilità termica e una generazione di calore molto ridotta dalla reazione laterale, secondo il test ARC.

“Nel complesso, il LIB di nuova concezione ha il potenziale per migliorare lo sviluppo di veicoli elettrici di nuova generazione efficienti e più sicuri e di apparecchi senza fili come i droni. La sua applicazione diffusa può non solo migliorare la comodità degli utenti, ma anche promuovere una crescita economica sostenibile”, ha dichiarato il team in un comunicato.