Le batterie al litio metallico possono essere caricate in 12 min
Nuovi passi avanti nel mondo delle ricaricabili destinate alla mobilità elettrica. Gli ingegneri del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) e della LG Energy Solution hanno sviluppato un nuovo elettrolita liquido in grado di far fare un balzo in avanti alle batterie al litio metallico.
Grazie ad alte prestazioni teoriche questa tipologia di batterie si sta lentamente imponendo come scelta vincente per la prossima generazione dello storage su ruote. Il litio metallico vanta infatti un’elevata capacità specifica (3.860 mAh/g) in grado di alleviare la tradizionale ansia da ricarica dei veicoli elettrici; tuttavia, portarle sul mercato rappresenta ancora una sfida aperta.
Uno dei nodi tecnici ancora da sciogliere riguarda la progettazione dell’interfaccia in condizioni di ricarica rapida. Per comprendere appieno il problema è necessario fare un passo indietro e partire dalla struttura stessa della batteria.
Batterie al litio metallico, design e problemi
Le batterie al litio metallico sostituiscono il tradizionale anodo in grafite delle ricaricabili a ioni di litio con litio metallico, una modifica rispetto ai design più classici che regala alle unità sia un’elevata densità energetica che un basso potenziale elettrochimico negativo (−3,04 V rispetto all’elettrodo a idrogeno standard).
Peccato che durante la fase di carica sulla superficie dell’anodo tendano a formarsi dendriti di litio, rami aghiformi che si propagano internamente influendo negativamente sulle prestazioni della batteria e sulla sua stessa stabilità. E rendendo molto difficile l’implementazione di una batteria al litio metallico che possa essere ricaricata rapidamente.
La loro formazione dipende da diversi fattori chiave come il trasporto di massa e l’interfaccia solido-elettrolita (SEI), ossia lo strato passivante che si forma all’interfaccia tra anodo ed elettrolita.
Nel dettaglio, il team coreano ha scoperto che la causa fondamentale della formazione di dendriti durante la ricarica rapida è dovuta alla coesione interfacciale non uniforme sulla superficie del litio metallico. Per risolvere questo problema, il gruppo ha messo a punto un nuovo elettrolita liquido a base di pirano in grado di facilitare la placcatura uniforme del litio in condizioni di carica veloce.
Un nuovo elettrolita anionico
L’elettrolita utilizza una struttura anionica con una debole affinità di legame con gli ioni di litio (Li⁺), riducendo al minimo la disuniformità dell’interfaccia del litio. L’approccio permette di sopprimere l’aggregazione di specie inorganiche all’interno della SEI e di conseguenza la crescita dei dendriti.
In questo modo, gli scienziati hanno dimostrato che le batterie al litio metallico possono essere ricaricate fino al 70% della loro capacità in soli 12 minuti su 350 cicli ripetuti a una velocità di carica di 4C (8,4 mA/cm2). Un prototipo con una densità energetica di 386 Wh/kg raggiungerebbe invece uno stato di carica dell’80% entro 17 minuti su 180 cicli.
“I quattro anni di collaborazione tra LG Energy Solution e KAIST attraverso il progetto Frontier Research Laboratory stanno producendo risultati significativi”, ha commentato Je-Young Kim, CTO di LG Energy Solution. “Continueremo a rafforzare la nostra collaborazione tra industria e mondo accademico per risolvere le sfide tecniche e ottenere i migliori risultati nel campo delle batterie di nuova generazione”.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati nell’articolo “Covariance of interphasic properties and fast chargeability of energy-dense lithium metal batteries”,su Nature Energy.