Nuovo carbonio

Funzionalità del 18 luglio 2023

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Le batterie completamente allo stato solido (ASSB), ovvero le tecnologie delle batterie con elettrodi solidi ed elettroliti solidi, sono diventate il fulcro di un numero crescente di studi di ricerca. Ciò è dovuto principalmente al fatto che potrebbero superare significativamente le prestazioni delle batterie con elettroliti liquidi o a base polimerica sia in termini di sicurezza che di densità di potenza.

Una delle combinazioni di materiali solidi più promettenti per gli ASSB è rappresentata dagli elettroliti solidi al solfuro e dagli anodi metallici di litio (Li). Durante il funzionamento, tuttavia, gli anodi metallici di litio possono perdere rapidamente la loro capacità e smettere di funzionare correttamente, a causa della crescita di dendriti e di reazioni chimiche interfacciali.

I ricercatori del Tianmu Lake Institute of Advanced Energy Storage Technologies, dell’Accademia cinese delle scienze e di altri istituti in Cina hanno recentemente creato nuovi anodi Li-Si che potrebbero aiutare a migliorare le prestazioni degli ASSB, riducendone il rischio di guasto. Questi anodi, introdotti in un articolo pubblicato su Nature Energy, possono sopprimere la crescita dei dendriti di litio, stabilizzando il ciclo della batteria a lungo termine.

"Gli ASSB con anodi metallici di Li o anodi di Si sono candidati promettenti per ottenere un'elevata densità di energia e una maggiore sicurezza, ma soffrono rispettivamente di una crescita indesiderata dei dendrite di litio o di un'enorme espansione di volume", hanno scritto Wenlin Yan, Zhenliang Mu e i loro colleghi nel loro articolo .

"Sintetizziamo un anodo in lega Li-Si stabilizzata con carbonio duro in cui la sinterizzazione di Si porta alla trasformazione di particelle micrometriche in un continuum denso. Una rete ionico-elettronica-conduttiva 3D composta da fasi ricche di litio deformabili plasticamente (Li15Si4 e LiC6) che amplia l'area attiva e allevia la concentrazione di stress creata nell'anodo, portando a una migliore cinetica dell'elettrodo e stabilità meccanica."

I ricercatori hanno creato il loro anodo tramite una semplice reazione indotta dalla pressione tra una pellicola contenente Si e un foglio di Li. Ne hanno poi testato le prestazioni in una serie di simulazioni ed esperimenti, integrandoli in celle con uno dei due diversi catodi, nonché un elettrolita basato su Li6PS5Cl.

"Con l'anodo Li-Si stabilizzato con carbonio duro, le celle complete che utilizzano catodi LiCoO2 o LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 e l'elettrolita Li6PS5Cl raggiungono una capacità di velocità favorevole e stabilità del ciclo", hanno scritto Yan, Mu e i loro colleghi.

"In particolare, l'ASSB con LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 a carico elevato di 5,86 mAh cm−2 fornisce 5.000 cicli a 1 C (5,86 mA cm−2), dimostrando il potenziale dell'utilizzo di Li–Si stabilizzato con carbonio duro anodi in lega per applicazioni pratiche degli ASSB."