Una nuova architettura per batterie flessibili a stato solido

Fonte: Gong et al., Materials Today (2018), 21, 594-601.

di Sara Bagherifard

Le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato l’elettronica e il trasporto, fornendo a numerosi dispositivi una fonte di alimentazione mobile. Tuttavia, nonostante il loro successo, queste batterie, come sappiamo, possono esplodere o prendere fuoco a causa degli elettroliti liquidi infiammabili su cui si basano. Questi elettroliti liquidi sono soggetti a corto circuito a causa della formazione di dendriti di litio durante il funzionamento.

Come alternativa più sicura, un team dell’Università del Maryland ha progettato una nuova batteria allo stato solido, basata su un tessuto ceramico a conduzione di ioni di litio. Tale tessuto è stato usato per definire una struttura allo stato solido di ioni di litio in grado di rinforzare, allo stesso tempo, gli elettroliti polimerici, che, aiutano a bloccare la formazione di dendriti, e ad allungare la vita e la capacità di carico degli elettroliti ceramici, al fine di avere batterie al litio super performanti. In altre parole il metodo messo a punto è utile per fabbricare materiali ceramiche con composizione e strutture ad hoc, applicabili per la costruzione di batterie allo stato solido a basso costo e lunga durata.

Le strutture cristalline simili al granato (con la formula chimica Li₇La₃Zr₂O₁₂) sono uno dei conduttori solidi più promettenti perché la loro struttura cubica conduce rapidamente ioni di litio e perché hanno un’elevata stabilità chimica. Per creare un “tessuto” granato, i ricercatori hanno semplicemente immerso i tessuti commerciali a base di cellulosa in una soluzione di precursore granato, seguito con la cottura (o calcinazione) a varie temperature. Il processo di sinterizzazione brucia la struttura del tessuto commerciale, lasciando dentro il granato, che mantiene le caratteristiche strutturali del tessuto comprese le fibre intrecciate separate dai pori interconnessi. I pori sono, in seguito, impregnati con una miscela di ioni di litio-polimero. Il tessuto granato fornisce contemporaneamente una struttura conduttiva tridimensionale per gli ioni di litio e un supporto fisicamente robusto per l’elettrolita polimerico. Tale struttura ha la capacità di consentire una rapida conduzione ionica attraverso le fibre ceramiche continue e ha dimostrato un ciclo stabile a lungo termine per 500 ore senza guasti.

I vantaggi unici di questa architettura del flessibile tessuto fibroso granato consentono la creazione di una struttura elettrolitica allo stato solido con percorsi conduttivi continui e con un elevato rapporto superficie-volume. Le attuali procedure di fabbricazione su scala di laboratorio possono essere tradotte in produzione su scala di rilevanza industriale. Mentre gli sforzi iniziali sono stati finora indirizzati alla batteria al litio metallo allo stato solido, le strategie di progettazione strutturale utilizzate in questa ricerca potrebbero essere applicate ad altri dispositivi allo stato solido per lo stoccaggio e la conversione di energia oltre la tecnologia agli ioni di litio.