Gli ingegneri dell'Università della California a San Diego hanno sviluppato batterie agli ioni di litio che funzionano bene a temperature gelide e calde torride, pur racchiudendo molta energia.I ricercatori hanno compiuto questa impresa sviluppando un elettrolita che non solo è versatile e robusto in un ampio intervallo di temperature, ma è anche compatibile con un anodo e un catodo ad alta energia.
Le batterie resistenti alla temperaturasono descritti in un articolo pubblicato la settimana del 4 luglio in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Tali batterie potrebbero consentire ai veicoli elettrici nei climi freddi di viaggiare più lontano con una singola carica;potrebbero anche ridurre la necessità di sistemi di raffreddamento per evitare il surriscaldamento delle batterie dei veicoli nei climi caldi, ha affermato Zheng Chen, professore di nanoingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e autore senior dello studio.
“È necessario un funzionamento ad alta temperatura in aree in cui la temperatura ambiente può raggiungere le tre cifre e le strade diventano ancora più calde.Nei veicoli elettrici, i pacchi batteria sono generalmente sotto il pavimento, vicino a queste strade calde”, ha spiegato Chen, che è anche membro della facoltà del Sustainable Power and Energy Center della UC San Diego.“Inoltre, le batterie si riscaldano semplicemente perché passano corrente durante il funzionamento.Se le batterie non riescono a tollerare questo riscaldamento ad alta temperatura, le loro prestazioni peggioreranno rapidamente”.
Nei test, le batterie proof-of-concept hanno mantenuto l'87,5% e il 115,9% della loro capacità energetica rispettivamente a -40 e 50 C (-40 e 122 F).Avevano anche elevate efficienze Coulombiane pari rispettivamente al 98,2% e al 98,7% a queste temperature, il che significa che le batterie possono subire più cicli di carica e scarica prima di smettere di funzionare.
Le batterie sviluppate da Chen e colleghi sono resistenti sia al freddo che al caldo grazie al loro elettrolita.È costituito da una soluzione liquida di dibutil etere mescolato con un sale di litio.Una caratteristica speciale del dibutiletere è che le sue molecole si legano debolmente agli ioni di litio.In altre parole, le molecole dell’elettrolito possono facilmente rilasciare gli ioni di litio durante il funzionamento della batteria.Questa debole interazione molecolare, scoperta dai ricercatori in uno studio precedente, migliora le prestazioni della batteria a temperature inferiori allo zero.Inoltre, l'etere dibutile può facilmente sopportare il calore perché rimane liquido alle alte temperature (ha un punto di ebollizione di 141 C o 286 F).
Chimiche stabilizzanti litio-zolfo
La particolarità di questo elettrolita è che è compatibile con una batteria al litio-zolfo, che è un tipo di batteria ricaricabile che ha un anodo di litio metallico e un catodo di zolfo.Le batterie al litio-zolfo sono una parte essenziale delle tecnologie delle batterie di prossima generazione perché promettono densità di energia più elevate e costi inferiori.Possono immagazzinare fino a due volte più energia per chilogrammo rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio: ciò potrebbe raddoppiare l’autonomia dei veicoli elettrici senza alcun aumento del peso del pacco batterie.Inoltre, lo zolfo è più abbondante e meno problematico da ottenere rispetto al cobalto utilizzato nei tradizionali catodi delle batterie agli ioni di litio.
Ma ci sono problemi con le batterie al litio-zolfo.Sia il catodo che l'anodo sono super reattivi.I catodi di zolfo sono così reattivi che si dissolvono durante il funzionamento della batteria.Questo problema peggiora alle alte temperature.E gli anodi metallici di litio tendono a formare strutture aghiformi chiamate dendriti che possono perforare parti della batteria, provocandone il cortocircuito.Di conseguenza, le batterie al litio-zolfo durano solo fino a decine di cicli.
"Se si desidera una batteria con un'elevata densità di energia, in genere è necessario utilizzare una chimica molto aggressiva e complicata", ha affermato Chen.“Un’elevata energia significa che stanno accadendo più reazioni, il che significa meno stabilità, più degrado.Realizzare una batteria ad alta energia che sia stabile è di per sé un compito difficile; provare a farlo in un ampio intervallo di temperature è ancora più impegnativo”.
L'elettrolita dibutiletere sviluppato dal team dell'UC San Diego previene questi problemi, anche a temperature alte e basse.Le batterie testate avevano una durata di ciclo molto più lunga rispetto a una tipica batteria al litio-zolfo."Il nostro elettrolita aiuta a migliorare sia il lato catodico che quello anodico fornendo allo stesso tempo un'elevata conduttività e stabilità interfacciale", ha affermato Chen.
Il team ha inoltre progettato il catodo di zolfo per renderlo più stabile innestandolo su un polimero.Ciò impedisce che più zolfo si dissolva nell'elettrolita.
I prossimi passi includono l’incremento della chimica della batteria, l’ottimizzazione per funzionare a temperature ancora più elevate e l’ulteriore estensione della durata del ciclo.
Articolo: “Criteri di selezione dei solventi per batterie al litio-zolfo resistenti alla temperatura”.I coautori includono Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal e Ping Liu, tutti dell'UC San Diego.
Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione della Early Career Faculty del programma di sovvenzioni per la ricerca sulla tecnologia spaziale della NASA (ECF 80NSSC18K1512), della National Science Foundation attraverso il Centro di scienza e ingegneria dei materiali di San Diego dell'UC (MRSEC, sovvenzione DMR-2011924) e dell'Ufficio di Vehicle Technologies del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso il programma di ricerca sui materiali per batterie avanzate (Consorzio Battery500, contratto DE-EE0007764).Questo lavoro è stato eseguito in parte presso la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) presso l'UC San Diego, un membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, che è supportata dalla National Science Foundation (sovvenzione ECCS-1542148).
Orario di pubblicazione: 10 agosto 2022