Gli scienziati identificano materiali elettrolitici solidi che migliorano le prestazioni delle batterie agli ioni di litio

Gli scienziati identificano materiali elettrolitici solidi che migliorano le prestazioni delle batterie agli ioni di litio
La scoperta di Evan Reed, professore associato di Scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, e dello studioso in visita Austin Sendek, potrebbe aiutare i ricercatori nel campo delle batterie a progettare i primi elettroliti solidi che siano sicuri, economici ed efficienti. Credito: LA Cicero/Università di Stanford

Gli scienziati della Stanford University hanno identificato una nuova classe di materiali solidi che potrebbero sostituire gli elettroliti liquidi infiammabili nelle batterie agli ioni di litio.

Secondo gli scienziati, i materiali a basso costo come litio, boro e zolfo potrebbero migliorare la sicurezza e le prestazioni di auto elettriche, laptop e altri dispositivi alimentati a batteria. I loro risultati sono pubblicati in uno studio sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS.

“Una tipica batteria agli ioni di litio ha due elettrodi solidi con un elettrolita liquido altamente infiammabile in mezzo”, ha affermato l’autore principale dello studio Austin Sendek, uno studioso in visita presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali di Stanford. “Il nostro obiettivo è progettare elettroliti solidi stabili ea basso costo che aumentino anche la potenza e la produzione di energia della batteria”.

Materiali promettenti

Gli elettroliti della batteria trasportano gli ioni di litio tra l’elettrodo positivo e negativo durante la carica e la scarica. La maggior parte delle batterie agli ioni di litio utilizza un elettrolita liquido che può bruciare se la batteria viene forata o in cortocircuito. Gli elettroliti solidi, d’altra parte, raramente prendono fuoco e sono potenzialmente più efficienti.

“Gli elettroliti solidi promettono come alternative più sicure, più durature e più energivore agli elettroliti liquidi”, ha affermato l’autore senior Evan Reed, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. “Tuttavia, la scoperta di materiali adatti per l’uso negli elettroliti solidi rimane una sfida ingegneristica significativa”.

La maggior parte degli elettroliti solidi in uso oggi sono troppo instabili, inefficienti e costosi per essere commercialmente validi, hanno affermato gli autori.

“Gli elettroliti solidi convenzionali non possono condurre tanta corrente ionica quanto gli elettroliti liquidi”, ha detto Sendek. “I pochi che di solito possono degradarsi una volta che entrano in contatto con gli elettrodi della batteria”.

Apprendimento automatico

Per trovare elettroliti solidi affidabili, Sendek e i suoi colleghi nel 2016 hanno addestrato un algoritmo informatico per lo screening di oltre 12.000 composti contenenti litio in un database di materiali. In pochi minuti l’algoritmo ha identificato circa 20 materiali promettenti, inclusi quattro composti poco conosciuti fatti di litio, boro e zolfo.

“Mentre guardavamo i candidati, abbiamo notato che quattro composti di litio-boro-zolfo continuavano a spuntare”, ha detto Sendek. “Sfortunatamente, non c’era molto su questi materiali nella letteratura scientifica esistente”.

Nello studio attuale, i ricercatori hanno esaminato più da vicino i quattro composti utilizzando una tecnica chiamata teoria del funzionale della densità, che simula il comportamento dei materiali a livello atomico.

Risultati molto promettenti

Gli elettroliti di litio-boro-zolfo potrebbero essere circa due volte più stabili dei principali elettroliti solidi, secondo lo studio attuale. La stabilità può influire sulla quantità di energia per unità di peso che una batteria può immagazzinare. Nei veicoli elettrici, ciò può significare un’autonomia di guida più lunga.

“Tesla e altre auto elettriche possono percorrere da 250 a 300 miglia con una singola carica”. ha detto Sendek. “Ma con un elettrolita solido potresti potenzialmente raddoppiare la densità di energia delle batterie agli ioni di litio e ottenere un’autonomia superiore a 500 miglia e forse anche iniziare a pensare al volo elettrico”.

Quando un tipico elettrolita solido si rompe, si trasforma chimicamente da un buon conduttore in un cattivo conduttore, facendo smettere di funzionare la batteria. Lo studio ha predetto che, se mescolati insieme, i quattro composti litio-boro-zolfo continuerebbero a funzionare anche mentre si decompongono.

“Tutti e quattro i composti sono chimicamente simili”, ha detto Sendek. “Quindi, quando la miscela si rompe, ogni composto probabilmente si trasformerà da un buon conduttore a un altro buon conduttore a un altro. Ciò significa che i materiali possono resistere a diversi cicli di rottura prima di decomporsi in un cattivo conduttore che alla fine uccide la batteria”.

Lo studio ha anche previsto che alcune fasi dei materiali litio-boro-zolfo potrebbero essere tre volte migliori nel condurre gli ioni di litio rispetto agli elettroliti solidi all’avanguardia realizzati con il costoso germanio.

“Se ottieni una buona conduttività ionica, puoi ottenere più flusso di corrente dalla batteria”, ha detto Sendek. “Più corrente significa più potenza per accelerare la tua auto.”

Alcuni dei migliori elettroliti solidi oggi disponibili sono realizzati con elementi rari come il germanio, un chilo del quale costa circa $ 500. Litio, boro e zolfo sono sostanze chimiche abbondanti con un prezzo di $ 26 per chilogrammo.

“Il nostro algoritmo informatico stava cercando nuovi materiali in base alle loro proprietà fisiche”, ha detto Sendek. “Ma è successo che i quattro composti erano anche molto più economici delle alternative”.

metallo di litio

Trovare un elettrolita solido praticabile potrebbe anche portare allo sviluppo di batterie al litio metallico, batterie leggere e ad alta densità energetica che sono i candidati ideali per le auto elettriche.

La maggior parte delle batterie agli ioni di litio ha un elettrodo caricato negativamente in grafite. Nelle batterie al litio metallico, la grafite viene sostituita con il litio metallico, che può immagazzinare una carica significativamente maggiore per chilogrammo.

“Il litio metallico è davvero il Santo Graal della ricerca sulle batterie”, ha detto Sendek. “Ma gli elettrodi in metallo di litio hanno la tendenza a cortocircuitarsi internamente durante il funzionamento, cosa che gli elettroliti liquidi non fanno nulla per prevenire. Gli elettroliti solidi sembrano essere la nostra migliore possibilità di superare questo problema e gli elettroliti di litio-boro-zolfo sono candidati promettenti”.

Tabella di marcia della ricerca

Lo studio di Stanford fornisce una tabella di marcia teorica per la ricerca futura. Il prossimo passo è sintetizzare tutti e quattro i materiali litio-boro-zolfo e testarli in una batteria.

“Da quello che mi dicono i miei amici sperimentatori, produrre questi materiali in laboratorio può essere piuttosto difficile”, ha detto Sendek. “Il nostro compito come teorici è quello di indicare agli sperimentali materiali promettenti e far loro vedere come si comportano i materiali in dispositivi reali”.

La capacità di identificare questi materiali promettenti da migliaia di candidati è stata resa possibile dall’intelligenza artificiale e dall’apprendimento automatico, ha aggiunto Reed.

“La scoperta della maggior parte dei nuovi materiali fino ad oggi è stata ottenuta da ricerche inefficienti per tentativi ed errori”, ha affermato. “I nostri risultati rappresentano un successo stimolante per l’approccio di apprendimento automatico alla chimica dei materiali”.


Leave a Reply