Litio e ceramica promettono batterie a lunga durata e più sicure

Un team guidato da Jennifer L. M. Rupp del MIT, Cambridge, USA, e TU di Monaco, Germania, ha ora sviluppato un nuovo processo sintetico per produrre batterie ricaricabili agli ioni di litio in cui il metallo viene  avvolto in un materiale ceramico applicato a bassa temperatura, prolungandone la durata e , soprattutto, la sicurezza. I risultati della ricerca del team vengono pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie.

Una ceramica al litio potrebbe fungere da elettrolita solido di nuova generazione più potente ed economica di batterie ricaricabili a ioni di litio. La sfida è trovare un metodo di produzione che funzioni senza sinterizzazione della ceramica ad alte temperature. Il team ha ora introdotto un metodo senza sinterizzazione per la sintesi efficiente a bassa temperatura di queste ceramiche in una forma cristallina conduttiva.

Due fattori dominano lo sviluppo delle batterie per veicoli elettrici: la potenza, che determina l’autonomia del veicolo; e costi, che sono fondamentali nella competizione con i motori a combustione interna. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti mira ad accelerare la transizione dai veicoli a benzina a quelli elettrici e ha fissato obiettivi ambiziosi per ridurre i costi di produzione e aumentare la densità energetica delle batterie entro il 2030. Questi obiettivi non possono essere raggiunti con le tradizionali batterie agli ioni di litio.

Un approccio molto promettente per realizzare batterie più piccole, più leggere, significativamente più potenti e più sicure consiste nell’utilizzare celle a stato solido con anodi realizzati in litio metallico anziché in grafite. A differenza delle tradizionali batterie agli ioni di litio, che hanno elettroliti organici liquidi e utilizzano una pellicola polimerica per separare i compartimenti anodico e catodico, tutti i componenti di una batteria a stato solido sono solidi. Un sottile strato ceramico funziona contemporaneamente come elettrolita solido e separatore. È molto efficace sia contro i pericolosi cortocircuiti causati dalla crescita dei dendriti di litio che contro l’instabilità termica. Inoltre non contengono liquidi facilmente infiammabili.

Un elettrolita/separatore ceramico adatto per celle ad alta densità di energia è l’ossido di litio di tipo granato Li7La3Zr2O12−d (LLZO). Questo materiale deve essere sinterizzato insieme al catodo a oltre 1050° C per convertire l’LLZO nella fase cristallina cubica a conduzione rapida di litio, densificarlo sufficientemente e legarlo fortemente all’elettrodo. Tuttavia, temperature superiori a 600° C destabilizzano i materiali catodici sostenibili a basso contenuto di cobalto o privi di cobalto, aumentando allo stesso tempo i costi di produzione e il consumo di energia. Sono necessari nuovi metodi di produzione più economici e sostenibili.

Il nuovo processo del team non si basa su un composto precursore ceramico, ma su un composto liquido, che viene direttamente densificato per formare LLZO in una sintesi di decomposizione sequenziale. Per ottimizzare le condizioni per questo percorso sintetico, Rupp e il suo team hanno analizzato la trasformazione di fase in più fasi di LLZO da una forma amorfa alla forma cristallina richiesta (cLLZO) utilizzando una varietà di metodi (spettroscopia Raman, calorimetria a scansione differenziale dinamica) e hanno prodotto un tempo -diagramma di trasformazione della temperatura.

Sulla base delle conoscenze acquisite nel processo di cristallizzazione, hanno sviluppato un percorso attraverso il quale cLLZO si ottiene come una pellicola densa e solida dopo 10 ore di ricottura alla temperatura relativamente bassa di 500° C, senza sinterizzazione. Per i futuri progetti di batterie, questo metodo consentirà l’integrazione dell’elettrolita solido LLZO con catodi sostenibili che potrebbero evitare l’uso di elementi socioeconomicamente critici come il cobalto.