Contesto:
I ricercatori del Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, hanno ottenuto un importante successo nelle batterie al litio a stato solido, realizzando potenzialmente il sogno di dispositivi elettronici più piccoli con una maggiore durata della batteria. Questo progresso è stato pubblicato sulla rivista accademica internazionale Nature Energy il 31 luglio.
Le batterie agli ioni di litio utilizzate in telefoni cellulari, computer e altri dispositivi elettronici immagazzinano e rilasciano energia prevalentemente tramite elettroliti liquidi. Gli scienziati stanno ora esplorando un nuovo tipo di batteria: le batterie al litio a stato solido. Queste utilizzano elettroliti solidi invece di liquidi, rendendole significativamente più sicure.
Sebbene le batterie al litio a stato solido sembrino ideali, il loro sviluppo affronta delle sfide. Principalmente, le diverse proprietà chimiche e fisiche dei materiali all'interno del catodo della batteria rendono difficile una perfetta compatibilità, portando a molteplici problemi di interfaccia che compromettono la densità energetica e la durata. Per affrontare questo problema, il team di ricerca ha sviluppato un nuovo materiale: un materiale catodico omogeneizzato (litio titanio germanio fosfoselenide).
Rispetto ai materiali convenzionali, questo composto offre vantaggi tra cui alta conduttività elettrica, alta densità energetica e maggiore durata:
Alta conduttività elettrica: Questo nuovo materiale mostra sia un'elevata conduttività ionica che elettronica, superando i tradizionali materiali per batterie (catodi a ossido stratificato) di oltre 1000 volte. Ciò consente processi di carica e scarica fluidi senza fare affidamento su additivi conduttivi, migliorando significativamente le prestazioni complessive della batteria.
Elevata capacità di scarica: Il nuovo materiale mostra un'elevata capacità di scarica di 250 mAh per grammo, superando i materiali catodici ad alto contenuto di nichel attualmente utilizzati. A parità di peso o volume, le batterie che incorporano questo materiale possono immagazzinare una maggiore energia elettrica. Questo non solo consente un funzionamento prolungato senza ricariche frequenti, migliorando così la durata, ma riduce anche le dimensioni della batteria, facilitando la progettazione di dispositivi più compatti.
Basso cambiamento di volume: Durante i cicli di carica e scarica, il nuovo materiale mostra un cambiamento di volume di appena l'1,2%, sostanzialmente inferiore al 50% osservato nei materiali catodici a ossido stratificato convenzionali. Questo minimo cambiamento di volume aiuta a mantenere la stabilità strutturale, prolungando così la durata operativa della batteria.
Alta densità energetica: Le batterie al litio a stato solido che utilizzano questo nuovo materiale raggiungono una densità energetica di 390 Wh/kg, che rappresenta un aumento di 1,3 volte rispetto alle batterie al litio a stato solido a ciclo lungo precedentemente segnalate.
Maggiore durata: Le batterie al litio a stato solido che impiegano questo materiale raggiungono oltre 10.000 cicli. Dopo 5.000 cicli di carica, la batteria conserva l'80% della sua capacità iniziale, fornendo ampia potenza per periodi prolungati.
Questa ricerca fornisce un supporto tecnico cruciale per lo sviluppo di dispositivi di accumulo di energia ad alta densità energetica e lunga durata, offrendo fonti di alimentazione sicure e durevoli per veicoli a nuova energia, reti di accumulo di energia e apparecchiature per acque profonde/spazio profondo. Ha implicazioni significative per l'avanzamento di nuovi sistemi di accumulo di energia.