Energia

Batterie a stato solido: un nuovo modello ad alte prestazioni ha sorpreso persino i suoi sviluppatori

I nanoingegneri dell’Università della California di San Diego, in collaborazione con i ricercatori di LG Energy Solution, hanno creato un nuovo tipo di batteria che intreccia due promettenti sottocampi della batteria in un’unica soluzione. La batteria utilizza infatti sia un elettrolita a stato solido che un anodo completamente al silicio, rendendola una batteria a stato solido al silicio. I primi cicli di test dimostrano che la nuova batteria è sicura, di lunga durata e con un’elevata densità di energia ed è promettente per una vasta gamma di applicazioni, dallo stoccaggio della rete ai veicoli elettrici.

Gli anodi di silicio sono famosi per la loro densità energetica, che è 10 volte maggiore degli anodi di grafite più spesso utilizzati nelle batterie agli ioni di litio commerciali di oggi. D’altra parte, gli anodi di silicio sono famigerati per il modo in cui si espandono e si contraggono quando la batteria si carica e si scarica e per il modo in cui si degradano con elettroliti liquidi. Queste sfide hanno tenuto gli anodi di questo tipo lontani dalle batterie agli ioni di litio commerciali, nonostante l’allettante densità di energia. Il nuovo lavoro pubblicato su Science fornisce però un percorso promettente per tutti gli anodi al silicio, grazie all’elettrolita giusto.

Gran parte del problema infatti è causato dall’interazione tra gli anodi di silicio e gli elettroliti liquidi con cui sono stati accoppiati. La situazione è complicata dall’espansione di grandi volumi di particelle di silicio durante la carica e la scarica. Ciò si traduce in gravi perdite di capacità nel tempo.

Il team guidato dall’UC San Diego ha adottato un approccio diverso: hanno eliminato il carbonio e i leganti solitamente impiegati con gli anodi completamente al silicio, utilizzando inoltre micro-silicio, che è meno elaborato e meno costoso del nano-silicio che viene utilizzato più spesso.

Oltre a rimuovere tutto il carbonio e i leganti dall’anodo, il team ha anche rimosso l’elettrolita liquido, usando invece un elettrolita solido a base di solfuro. I loro esperimenti hanno dimostrato che questo elettrolita solido è estremamente stabile nelle batterie con anodi completamente al silicio.

In questo modo i ricercatori hanno evitato una serie di sfide correlate che sorgono quando gli anodi si immergono nell’elettrolita liquido organico mentre la batteria funziona. Allo stesso tempo, eliminando il carbonio nell’anodo, il team ha ridotto significativamente il contatto e le reazioni collaterali indesiderate con l’elettrolita solido, evitando la continua perdita di capacità che si verifica tipicamente con elettroliti a base liquida.

Le batterie a stato solido di nuova generazione ad alta densità di energia si sono sempre affidate al litio metallico come anodo. Ma ciò pone restrizioni sui tassi di carica della batteria e sulla necessità di una temperatura elevata (di solito 60 gradi Celsius o superiore) durante la ricarica. L’anodo di silicio supera queste limitazioni, consentendo velocità di carica molto più elevate a basse temperature ambiente, pur mantenendo elevate densità di energia. Il team ha dimostrato una cella completa su scala di laboratorio che offre 500 cicli di carica e scarica con una ritenzione della capacità dell’80% a temperatura ambiente.