Verso una nuova generazione di batterie
Il mediatore redox migliora le prestazioni e la durata delle batterie Li-O2
Le batterie al litio-aria potrebbero superare le tradizionali batterie agli ioni di litio, in quanto sono in grado di immagazzinare molta più energia a parità di peso. Se si riuscisse ad aumentare i loro valori di rendimento, finora solo teoricamente elevati, e la loro breve durata. Un team cinese propone ora l'aggiunta di un catalizzatore solubile all'elettrolita. Esso agisce come mediatore redox che facilita il trasporto della carica e contrasta la passivazione dell'elettrodo.
A differenza delle batterie agli ioni di litio, in cui gli ioni di litio vengono "spinti avanti e indietro" tra due elettrodi, la batteria litio-aria (Li-O2) funziona con un anodo fatto di litio metallico. Quando viene utilizzata, gli ioni di litio caricati positivamente vengono rilasciati e migrano verso il catodo poroso attraverso il quale scorre l'aria. L'ossigeno viene ossidato e legato come perossido di litio (Li2O2). Durante la ricarica, l'ossigeno viene nuovamente rilasciato e gli ioni di litio si riducono in litio metallico, che si deposita nuovamente sull'anodo. Purtroppo, i valori eccezionalmente elevati delle prestazioni sono solo teorici.
In pratica, effetti noti come sovratensione rallentano le reazioni elettrochimiche: La formazione e la decomposizione del Li2O2 insolubile sono lente e la sua conducibilità elettrica è molto bassa. I pori del catodo tendono inoltre a intasarsi e l'alta tensione necessaria per lo sviluppo di ossigeno decompone l'elettrolita e provoca reazioni collaterali indesiderate. Di conseguenza, le batterie perdono gran parte delle loro prestazioni dopo pochi cicli di carica.
Il team guidato da Zhong-Shuai Wu dell'Istituto di Fisica Chimica di Dalian dell'Accademia Cinese delle Scienze, in collaborazione con Xiangkun Ma dell'Università Marittima di Dalian, ha ora proposto l'aggiunta di un nuovo tipo di sale imidazolilico di ioduro (1,3-dimetilimidazolio ioduro, DMII) come additivo che agisce come catalizzatore e mediatore redox per aumentare le prestazioni e la durata.
Gli ioni ioduro I- del sale possono facilmente reagire a I3- e viceversa (coppia redox), trasferendo elettroni all'ossigeno (scarica) e riprendendoli (carica). Questo trasporto di carica facilitato accelera le reazioni, riduce la sovratensione del catodo e aumenta la capacità di scarica della cella elettrochimica. Gli ioni DMI+ del sale contengono un anello a cinque membrane composto da tre atomi di carbonio e due di azoto con elettroni liberi di muoversi. Questi anelli "catturano" gli ioni di litio durante la scarica e li trasferiscono efficacemente all'ossigeno del catodo. Inoltre, formano uno strato limite sottilissimo ma molto stabile sull'anodo, che impedisce il contatto diretto tra l'elettrolita e la superficie del litio, riducendo così al minimo la decomposizione dell'elettrolita e le reazioni collaterali, stabilizzando l'anodo e aumentando così la durata di vita.
Le celle di prova elettrochimiche del team si sono rivelate promettenti, con una bassa sovratensione (0,52 V), un'elevata stabilità dei cicli per 960 ore e una formazione/decomposizione altamente reversibile del Li2O2 senza reazioni collaterali.
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Pubblicazione originale
Jing Liu, Yuejiao Li, Yajun Ding, Lisha Wu, Jieqiong Qin, Tongle Chen, Caixia Meng, Feng Zhou, Xiangkun Ma, Zhong‐Shuai Wu; "A Bifunctional Imidazolyl Iodide Mediator of Electrolyte Boosts Cathode Kinetics and Anode Stability Towards Low Overpotential and Long‐Life Li‐O2 Batteries"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-1-14
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