Maggiori prestazioni per le batterie litio-ione grazie agli elettroliti solidi

Maggiori prestazioni per le batterie litio-ione grazie agli elettroliti solidi

Alcuni particolari materiali mostrano proprietà molto interessanti per poter essere usati come elettroliti solidi all'interno delle batterie litio-ione, migliorandone le prestazioni

di Andrea Bai pubblicata il , alle 15:01 nel canale Scienza e tecnologia
 

Per gli impieghi più comuni la qualità di una batteria viene gudicata semplicemente sulla base della sua autonomia: più a lungo è in grado di garantire l'operatività di un dispositivo, più verrà considerata valida. Vi sono però anche altri tipi di applicazioni per le quali l'autonomia non è l'unico parametro importante: operatività stabile in un'ampia oscillazione di temperature, compattezza e flessibilità, rapidi cicli di carica/scarica. E una caratteristica desiderata, sicuramente trasversale a tutti i tipi di applicazione, è la sicurezza del dispositivo. Molte tecnologie di stoccaggio dell'energia non sono altro che un compromesso a favore di questa o quella caratteristica, in relazione al tipo di applicazione cui sono destinate.

Una collaborazione tra ricercatori accademici e tecnici Toyota sembra però promettere il "sacro Graal" di tutte le batterie: un dispositivo più compatto di una batteria litio-ione, con una miglior densità di energia, la velocità di carica di un supercondensatore e una maggior sicurezza. Tutto ciò sarebbe possibile eliminando l'elettrolita liquido presente nella maggior parte delle architetture litio-ione attualmente utilizzate.

Genericamente parlando, la struttura di base delle batterie è abbastanza semplice e prevede due elettrodi dove gli ioni scambiano elettroni, separati da un elettrolita che permette agli ioni di spostarsi tra gli elettrodi. Questi elettroliti sono da sempre stati liquidi poiché possono dissolvere più facilmente gli ioni e permetter loro di muoversi liberamente tra gli elettrodi. Purtroppo spesso la causa di problemi, anche gravi, è dovuta alle perdite dell'elettrolita liquido. Sciogliere questo nodo è complicato, del resto appare piuttosto laborioso poter dissolvere gli ioni in un solido.

Non che sia impossibile, ma fino ad ora si è riusciti a farlo in maniera non così efficiente. Negli anni sono stati sviluppati pochi elettroliti a stato solido, che però non sono stati capaci di esprimere le stesse prestazioni delle tecnologie attualmente esistenti sul mercato, proprio per la difficoltà che gli ioni trovano a percorrere l'elettrolita solido. Un documento, parte di un progetto portato avanti dai ricercatori Toyota e pubblicato nel 2011, mostra però che alcuni particolari elettroliti solidi sono in grado di condurre abbastanza bene gli ioni di litio. Si tratta di solidi con una struttura cristallina capace di ordinare gli ioni di litio in fila, dando luogo praticamente ad un movimento come se fosse all'interno di un canale.

Il problema è che tutti i solidi identificati con questa precisa struttura sono risultati essere chimicamente instabili o implicano l'uso di materiali grezzi piuttosto costosi. Negli anni recenti però, gli autori del documento hanno effettuato una serie di sperimentazioni su alcuni altri materiali che hanno mostrato proprietà molto interessanti. In particolare uno di essi, contraddistinto dalla complessa formula Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3, è sembrato essere un candidato promettente per le applicazioni che richiedono un'elevata corrente mentre un altro materiale Li9.6P3S12, ha mostrato migliori caratteristiche per le celle ad alta tensione. Entrambi sono chimicamente stabili e non richiedono materiali grezzi costosi per la loro realizzazione. La loro struttura è simile ad una griglia tridimensionale e permette agli ioni di muoversi liberamente all'interno in tutte le direzioni. Questi nuovi materiali sono in grado di mostrare una conducibilità doppia rispetto agli elettroliti solidi studiati in precedenza.

I ricercatori hanno costruito una serie di batterie usando questi elettroliti, osservando come esse fossero in grado di operare in un intervallo di temperature da -30°C a 100°C, laddove le batterie litio-ione commercialmente disponibili non sono in grado di operare ai due estremi di questo intervallo. Le batterie così costruite hanno inoltre mostrato un'alta velocità di carica/scarica con un ciclo intero in meno di sette minuti. A temperature elevate il tasso di scarica è confrotabile con quello dei supercondensatori. Infine la densità di energia (punto debole dei supercondensatori) è risultata comparabile a quella delle batterie litio-ione.

Le reazioni chimiche che avvengono tra gli elettrodi e questo materiale quando si opera il primo ciclo di carica/scarica causa immediatamente un deterioramento della capacità nell'ordine del 10%. Dopo 500 cicli, tuttavia, le batterie hanno mostrato di riuscire a mantenere il 75% della capacità originaria, indicando che la perdita dopo il primo ciclo rimane relativamente contenuta.

Le alte prestazioni dell'elettrolita solido sono dovute alla sua struttura, che offre una sorta di "percorso preferenziale" che gli ioni di litio possono percorrere, e al suo reticolo tridimensionale che permette agli ioni di aggirare qualsiasi difetto. All'interno del solido vi sono inoltre molti più ioni di litio per unità di volume rispetto a quanto sia possibile ottenere in una soluzione, circa 20 volte tanto. Il solido, inoltre, non può congelare e non si degrada chimicamente ad alte temperature, per questo offre un'ampio intervallo di operatività. E, infine, non è soggetto a perdite.

A questo punto è necessario abbinare all'elettrolita adeguati materiali per la realizzazione degli elettrodi, dal momento che devono essere capaci di sopportare grandi variazioni della quantità di litio in essi contenuto senza assottigliarsi o deteriorarsi in maniera tale da causare cedimenti strutturali. I ricercatori hanno iniziato a testare differenti materiali e sperano di poter costruire batterie ancor più performanti con il corretto abbinamento di materiali. In ogni caso l'impiego di un elettrolita solido può eliminare quei comuni punti deboli alla base delle attuali batterie, nonché semplificarne la struttura e consentire una maggior densità di energia nel complesso.

1 Commenti
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djfix1323 Marzo 2016, 06:28 #1
quindi circa 2 anni anche solo per poterne vedere in giro una...la ricerca richiede tempo, la prototipazione richiede tempo, l'affinamento della strategia commerciale e la realizzazzione di un piano di produzione di massa richiedono tutti molto tempo.

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