Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato batterie agli ioni di litio che funzionano bene a temperature gelide e torride, pur accumulando molta energia.I ricercatori hanno compiuto questa impresa sviluppando un elettrolita che non è solo 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 che le batterie dei veicoli si surriscaldino nei climi caldi, ha affermato Zheng Chen, professore di nanoingegneria presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering 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 in genere sotto il pavimento, vicino a queste strade calde", ha spiegato Chen, che è anche un membro della facoltà dell'UC San Diego Sustainable Power and Energy Center.“Inoltre, le batterie si riscaldano solo per il passaggio di corrente durante il funzionamento.Se le batterie non possono tollerare questo riscaldamento ad alta temperatura, le loro prestazioni si degraderanno 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 Coulombiche del 98,2% e 98,7% rispettivamente 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 al freddo e al calore grazie al loro elettrolita.È costituito da una soluzione liquida di etere dibutilico mescolato con un sale di litio.Una caratteristica speciale dell'etere dibutilico è che le sue molecole si legano debolmente agli ioni di litio.In altre parole, le molecole di elettrolita possono facilmente rilasciare gli ioni di litio mentre la batteria è in funzione.Questa debole interazione molecolare, i ricercatori avevano scoperto in uno studio precedente, migliora le prestazioni della batteria a temperature inferiori allo zero.Inoltre, l'etere dibutilico può facilmente sopportare il calore perché rimane liquido alle alte temperature (ha un punto di ebollizione di 141 °C o 286 °F).
Chimica stabilizzante del litio-zolfo
La particolarità di questo elettrolita è anche che è compatibile con una batteria al litio-zolfo, che è un tipo di batteria ricaricabile che ha un anodo in metallo di litio e un catodo in zolfo.Le batterie al litio-zolfo sono una parte essenziale delle tecnologie delle batterie di nuova 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 batteria.Inoltre, lo zolfo è più abbondante e meno problematico da reperire 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 a batteria.Questo problema peggiora alle alte temperature.E gli anodi metallici al litio tendono a formare strutture aghiformi chiamate dendriti che possono perforare parti della batteria, causandone 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 dura e complicata", ha affermato Chen.“Alta energia significa che si verificano 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 attraverso un ampio intervallo di temperature è ancora più impegnativo.
L'elettrolita di etere dibutilico sviluppato dal team dell'UC San Diego previene questi problemi, anche ad alte e basse temperature.Le batterie che hanno testato avevano cicli di vita molto più lunghi rispetto a una tipica batteria al litio-zolfo."Il nostro elettrolita aiuta a migliorare sia il lato del catodo che il lato dell'anodo, fornendo al contempo un'elevata conduttività e stabilità interfacciale", ha affermato Chen.
Il team ha anche progettato il catodo di zolfo in modo che fosse più stabile innestandolo su un polimero.Ciò impedisce a più zolfo di dissolversi nell'elettrolita.
I passaggi successivi includono aumentare la chimica della batteria, ottimizzarla per funzionare a temperature ancora più elevate e prolungare ulteriormente la durata del ciclo.
Documento: "Criteri di selezione del solvente 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 alla UC San Diego.
Questo lavoro è stato supportato da una sovvenzione della facoltà per la carriera in anticipo dal programma di sovvenzioni per la ricerca sulla tecnologia spaziale della NASA (ECF 80NSSC18K1512), dalla National Science Foundation attraverso l'UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, sovvenzione DMR-2011924) e dall'Office of Vehicle Technologies del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso l'Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, contratto DE-EE0007764).Questo lavoro è stato svolto in parte presso la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) presso la UC San Diego, un membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, che è supportata dalla National Science Foundation (sovvenzione ECCS-1542148).
Tempo di pubblicazione: 10-agosto-2022