Un nuovo rivestimento protettivo rende le batterie più potenti

Le batterie agli ioni di litio sono considerate una tecnologia chiave per la decarbonizzazione. I ricercatori di tutto il mondo stanno quindi lavorando per migliorare continuamente le loro prestazioni, ad esempio aumentando la loro densità energetica. "Un modo per raggiungere questo obiettivo è aumentare la tensione di esercizio", spiega Mario El Kazzi del Centro per le Scienze Energetiche e Ambientali dell'Istituto Paul Scherrer PSI. "Se la tensione aumenta, aumenta anche la densità energetica".

Tuttavia, c'è un problema: a tensioni operative superiori a 4,3 volt, si verificano forti processi di degradazione chimica ed elettrochimica alla giunzione tra il catodo, il polo positivo, e l'elettrolita, il mezzo conduttore. La superficie dei materiali catodici viene gravemente danneggiata dal rilascio di ossigeno, dalla dissoluzione dei metalli di transizione e dalla ricostruzione strutturale, che a loro volta determinano un continuo aumento della resistenza della cella e un calo della capacità. Per questo motivo le celle delle batterie commerciali, come quelle utilizzate nelle auto elettriche, finora funzionano solo a un massimo di 4,3 volt.

Per risolvere questo problema, El Kazzi e il suo team hanno sviluppato un nuovo metodo per stabilizzare la superficie del catodo rivestendola con un sottile strato protettivo uniforme. I ricercatori raccontano la loro scoperta in uno studio pubblicato sulla rivista ChemSusChem (Wiley).

Tensioni di funzionamento fino a 4,8 volt

Il processo si basa su un gas che viene prodotto come sottoprodotto durante la fabbricazione di materie plastiche come il PTFE, il PVDF e la schiuma: il trifluorometano con formula chimica _CHF3. In laboratorio, El Kazzi e il suo team hanno avviato una reazione a 300 gradi Celsius tra il _CHF3 e il sottile strato di carbonato di litio che ricopre la superficie dei catodi. Questo converte il litio nello strato limite in fluoruro di litio (LiF). È importante notare che gli atomi di litio del materiale catodico rimangono come ioni, cioè come particelle cariche positivamente. Questi ioni di litio devono potersi muovere avanti e indietro tra il catodo e l'anodo, il polo negativo, durante la carica e la scarica, in modo da non compromettere la capacità della batteria durante il funzionamento successivo.

In un'ulteriore fase, i ricercatori hanno testato l'efficacia dello strato protettivo eseguendo prove elettrochimiche ad alte tensioni di funzionamento. Il risultato è stato soddisfacente: lo strato protettivo è rimasto stabile anche ad alte tensioni. Protegge il materiale del catodo così bene che sono possibili tensioni di esercizio di 4,5 e persino 4,8 volt.

Rispetto alle batterie con catodi non protetti, le batterie rivestite hanno ottenuto risultati significativamente migliori in tutti i parametri più importanti. Ad esempio, l'impedenza, cioè la resistenza degli ioni di litio all'interfaccia del catodo, è risultata inferiore di circa il 30% dopo cento cicli di carica e scarica rispetto alle batterie con catodi non trattati. "Questo è un chiaro segno che il nostro strato protettivo riduce al minimo l'aumento di resistenza causato dalle reazioni interfacciali che altrimenti si verificherebbero", spiega El Kazzi.

È stata confrontata anche la conservazione della capacità. Si tratta della quantità di ioni di litio che possono ancora migrare dal catodo all'anodo dopo un certo numero di cicli di carica e scarica. Più questo valore è vicino al 100%, minore è il calo di capacità. Anche in questo caso, la batteria con catodo rivestito si è dimostrata superiore nei test: Il mantenimento della capacità è stato superiore al 94% dopo 100 cicli di carica e scarica senza una diminuzione della velocità di carica, mentre la batteria non trattata ha raggiunto solo l'80%.

Soluzione universale con protezione climatica indiretta

Il processo di rivestimento sviluppato al PSI apre nuove strade per aumentare la densità energetica di diversi tipi di batterie: "Possiamo ritenere che il nostro rivestimento protettivo al fluoruro di litio sia universale e possa essere applicato alla maggior parte dei materiali catodici", sottolinea El Kazzi. "Ad esempio, funziona anche con le batterie ad alta tensione ricche di nichel e litio".

Un altro aspetto importante del nuovo processo è che il trifluorometano è un gas serra molto potente e più di 10.000 volte più dannoso per il clima dell'anidride carbonica, motivo per cui non dovrebbe mai essere rilasciato nell'atmosfera. Per El Kazzi, la conversione in uno strato protettivo LiF uniforme e sottile sulla superficie dei materiali catodici è una soluzione efficace per monetizzare il gas rendendolo parte di un'economia circolare. Con il nuovo processo di rivestimento, il CHF3 può essere_riciclato e legato a lungo termine come strato protettivo nei catodi ad alta tensione.