Ricercatori creano una batteria litio-zolfo più sicura senza comprometterne le prestazioni

I ricercatori del NanoBio Lab (NBL) di Singapore (Agency for Science, Technology and Research, A*STAR) hanno trovato un modo di produrre batterie litio-zolfo più stabili, senza comprometterne le prestazioni. Aumentano quindi le possibilità che queste batterie trovino posto in un'ampia gamma di dispositivi elettronici o soluzioni per lo stoccaggio dell'energia.

Quanto si parla di batterie, capacità e prestazioni sono importanti, ma anche la sicurezza rappresenta un elemento fondamentale. Le batterie non solo contengono elettroliti organici liquidi altamente infiammabili che possono fuoriuscire per la rottura delle celle, ma dipendono anche da elettrodi separatori che possono essere instabili sia termicamente e meccanicamente. Laddove le ricerche hanno dimostrato che gli elettroliti a stato solido offrono il potenziale per migliorare il profilo di sicurezza delle batterie al litio, lo scarso contatto tra elettrodo ed elettrolita e la limitata conducibilità ionica rappresentano importanti colli di bottiglia in termini di conducibilità e prestazioni.

Secondo il professor Jackie Y. Ying, a capo del team di ricercatori dell'NBL, "gli elettroliti ibridi quasi solidi composti sia di componenti liquidi che solidi sono emersi come un compromesso efficace per ottenere batterie più sicure mantenendo al tempo stesso buone prestazioni. L'alta resistenza del componente solido finora ha limitato le prestazioni di tali batterie. Per superare questo problema abbiamo reingegnerizzato la microstruttura del componente solido. La nostra soluzione elimina la perdita dell'elettrolita ed è termicamente e meccanicamente stabile".

Team di ricercatori del NanoBio Lab (da sinistra a destra): Dr. Ayman AbdelHamid, Prof. Jackie Y. Ying e Mr. Jian Liang Cheong.

Il team ha progettato un elettrolita quasi solido ibrido che comprende una membrana porosa a infusione liquida costituita da fogli Li7La3Zr2O12 (LLZO). I ricercatori hanno inoltre messo a punto un nuovo metodo di fabbricazione chiamato "cupcake" realizzare la struttura per l'elettrolita.

LLZO è stato scelto per la sua alta conducibilità ionica e la buona stabilità chimica ed elettrochimica. La struttura non rigida dell'elettrolita gli consente di mantenere un contatto molto buono con gli elettrodi e gli impedisce di rompersi durante l'assemblaggio e la gestione della batteria. Questo porta a batterie più sicure con prestazioni migliori. L'elettrolita semisolido ottenuto si è dimostrato stabile su un ampio intervallo di tensione, cosa che ne favorisce l'uso con diversi materiali, inclusi catodi ad alta tensione.

La batteria litio-zolfo di nuova concezione ha mostrato un'elevata capacità, una velocità di carica e scarica elevata e la stabilità delle sue prestazioni grazie al controllo del fenomeno "polysulfide shuttling", per cui i polisolfuri di litio solubilizzati si spostano tra entrambi gli elettrodi causando un rapido decadimento della capacità.

Nei test, il nuovo elettrolita ha raggiunto risultati interessanti: rispettivamente 515 e 340 mAh/g a 1 e 2 °C con una densità di carica di 1,5 mg/cm2, ovvero prestazioni tra le più alte registrate dalle batterie ibride litio-zolfo quasi solide.

"La nostra struttura basata su fogli 3D è risultata cruciale per le prestazioni ottimali della batteria. Inoltre, il nostro sistema ha dimostrato un'eccezionale stabilità a temperature estreme. Questi risultati illustrano l'eccellente potenziale della nostra struttura basata su fogli come riferimento per altre batterie al litio semi-solide", ha aggiunto il prof. Ying. Il team del NanoBio Lab sta ora sviluppando nuove batterie a stato solido agli ioni di litio, litio-zolfo e litio per la commercializzazione.

Lo stesso team lo scorso ottobre ha svelato di aver trovato un modo più rapido e meno complesso per sviluppare catodi litio-zolfo. Tutte queste scoperte potrebbero rendere questo tipo di un'alternativa percorribile alle batterie agli ioni di litio nei dispositivi elettronici e i veicoli elettrici, in quanto i ricercatori ritengono che le batterie litio-zolfo potrebbero archiviare fino a 10 volte più energia delle soluzioni attuali.