Nella ricerca della batteria perfetta, gli scienziati hanno due obiettivi principali: creare un dispositivo in grado di immagazzinare una grande quantità di energia e farlo in sicurezza. Molte batterie contengono elettroliti liquidi, potenzialmente infiammabili.
Di conseguenza, le batterie agli ioni di litio allo stato solido, che consistono in componenti interamente solidi, sono diventate sempre più attraenti per gli scienziati perché offrono una combinazione allettante di maggiore sicurezza e maggiore densità di energia, che è la quantità di energia che la batteria può immagazzinare per un determinato volume.
I ricercatori dell'Università di Waterloo, in Canada, che sono membri del Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), con sede presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), hanno scoperto un nuovo elettrolita solido che offre diversi importanti vantaggi.
Questo elettrolita, composto da litio, scandio, indio e cloro, conduce bene gli ioni di litio ma gli elettroni male. Questa combinazione è essenziale per creare una batteria a stato solido che funzioni senza perdere significativamente capacità per oltre cento cicli ad alta tensione (oltre 4 volt) e migliaia di cicli a tensione intermedia. La natura clorurata dell'elettrolita è fondamentale per la sua stabilità in condizioni operative superiori a 4 volt, il che significa che è adatto per i tipici materiali catodici che costituiscono il pilastro delle odierne celle agli ioni di litio.
"L'attrazione principale di un elettrolita a stato solido è che non può prendere fuoco e consente un posizionamento efficiente nella cella della batteria; siamo stati lieti di dimostrare un funzionamento stabile ad alta tensione", ha dichiarato Linda Nazar, Distinguished Research Professor of Chemistry presso UWaterloo e membro di lunga data di JCESR.
Le attuali iterazioni di elettroliti a stato solido si concentrano fortemente sui solfuri, che si ossidano e si degradano sopra i 2,5 volt. Pertanto, richiedono l'incorporazione di un rivestimento isolante attorno al materiale catodico che opera sopra i 4 volt, il che compromette la capacità di elettroni e ioni di litio di spostarsi dall'elettrolita al catodo.
"Con gli elettroliti di solfuro, hai una sorta di enigma: vuoi isolare elettronicamente l'elettrolita dal catodo in modo che non si ossidi, ma hai ancora bisogno di conduttività elettronica nel materiale catodico", ha detto Nazar.
Mentre il gruppo di Nazar non è stato il primo a ideare un elettrolita di cloruro, la decisione di scambiare metà dell'indio con lo scandio sulla base del loro lavoro precedente si è rivelata vincente in termini di minore conduttività elettronica e ionica più elevata. "Gli elettroliti di cloruro sono diventati sempre più attraenti perché si ossidano solo ad alte tensioni, e alcuni sono chimicamente compatibili con i migliori catodi che abbiamo", ha detto Nazar. "Ce ne sono stati alcuni segnalati di recente, ma ne abbiamo progettato uno con vantaggi distinti".
Una chiave chimica per la conduttività ionica risiedeva nella struttura 3D incrociata del materiale chiamata spinello. I ricercatori hanno dovuto bilanciare due desideri in competizione: caricare lo spinello con il maggior numero possibile di ioni che trasportano la carica, ma anche lasciare i siti aperti per gli ioni da attraversare. "Potresti pensarlo come cercare di ospitare un ballo - vuoi che la gente venga, ma non vuoi che sia troppo affollato", ha detto Nazar.
Secondo Nazar, una situazione ideale sarebbe quella di avere metà dei siti nella struttura dello spinello occupati al litio mentre l'altra metà rimane aperta, ma ha spiegato che creare quella situazione è difficile da progettare.
Oltre alla buona conduttività ionica del litio, Nazar e i suoi colleghi dovevano assicurarsi che gli elettroni non potessero muoversi facilmente attraverso l'elettrolita per innescare la sua decomposizione ad alta tensione. "Immagina un gioco di hopscotch", ha detto. "Anche se stai solo cercando di saltare dal primo quadrato al secondo quadrato, se riesci a creare un muro che rende difficile per gli elettroni, nel nostro caso, saltare, questo è un altro vantaggio di questo elettrolita solido".
Nazar ha detto che non è ancora chiaro perché la conduttività elettronica sia inferiore a molti elettroliti cloruro precedentemente riportati, ma aiuta a stabilire un'interfaccia pulita tra il materiale catodico e l'elettrolita solido, un fatto che è in gran parte responsabile delle prestazioni stabili anche con elevate quantità di materiale attivo nel catodo.
Un documento basato sulla ricerca, "Elevata capacità areale, lunga durata del ciclo 4 V ceramico all-solid-state Li-ion batteries enabled by chloride solid electrolytes", è apparso nell'edizione online del 3 gennaio di Nature Energy.