La scoperta di anodi di litio-metallo ultrasottili apre l'era delle batterie di maggiore durata
Si avvicina la commercializzazione delle batterie al litio metallico
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Yu Jong-sung del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dell'Energia del DGIST (presidente Kunwoo Lee) ha sviluppato una tecnologia che migliora notevolmente la stabilità degli anodi metallici ultrasottili con uno spessore di soli 20μm. Il team ha proposto un nuovo metodo che utilizza additivi elettrolitici per risolvere i problemi di durata e sicurezza che hanno ostacolato la commercializzazione delle batterie al litio metallico.
Gli anodi di litio metallico (3.860 mAh g-¹) hanno una capacità oltre 10 volte superiore a quella degli anodi di grafite ampiamente utilizzati (372 mAh g-¹) e sono caratterizzati da un basso potenziale di riduzione standard, che li rende candidati promettenti per i materiali anodici di prossima generazione. Tuttavia, durante i cicli di carica-scarica, il litio tende a crescere in forme dendritiche, causando cortocircuiti e fughe termiche, con conseguenti problemi di durata e sicurezza. Inoltre, a causa dell'espansione di volume, l'interfase dell'elettrolita solido (SEI) si degrada e si riforma ripetutamente, portando a un rapido esaurimento dell'elettrolita.
L'uso di litio metallico ultrasottile con uno spessore inferiore a 50μm è essenziale, soprattutto per la commercializzazione delle batterie al litio metallico. Tuttavia, questi problemi diventano più gravi con la riduzione dello spessore. Di conseguenza, sia il mondo accademico che l'industria si sono concentrati sull'ingegneria SEI per migliorare la stabilità degli anodi litio-metallo, tra cui le strategie di formazione SEI utilizzando additivi elettrolitici sono emerse come un approccio semplice ma efficace.
Studi precedenti hanno dimostrato che il fluoruro di litio (LiF) contribuisce a migliorare la stabilità degli anodi di litio (Li) metallici grazie alla sua elevata resistenza meccanica. Più recentemente, è stato riportato che anche l'argento (Ag) promuove la deposizione uniforme di litio attraverso una reazione di lega con il Li. Tuttavia, nessuna ricerca ha ancora esplorato un singolo additivo in grado di formare contemporaneamente Ag e LiF.
A tal fine, il team del professor Yu ha introdotto il trifluorometanesolfonato d'argento (AgCF₃SO₃, o AgTFMS) come additivo elettrolitico per risolvere il problema della formazione di dendriti e della scarsa durata del ciclo. Attraverso varie analisi della superficie, il team ha confermato che l'uso di un elettrolita contenente AgTFMS porta alla formazione simultanea di Ag e LiF sulla superficie del metallo di litio. Su questa base, hanno migliorato con successo la stabilità degli anodi di litio metallico ultrasottili (20μm) e hanno verificato sperimentalmente che la formazione di dendriti poteva essere efficacemente soppressa e la durata della batteria poteva essere estesa di oltre sette volte rispetto al sistema convenzionale. Contemporaneamente, il team del professor Kang Jun-hee dell'Università Nazionale di Pusan ha impiegato la chimica computazionale per analizzare l'energia d'interazione tra Li e Ag, delucidando così il meccanismo alla base della maggiore stabilità.
Il professor Yu Jong-sung del DGIST ha dichiarato: "Questo studio si è concentrato sul superamento delle limitazioni del litio metallico ultrasottile e sul miglioramento significativo della stabilità delle batterie al litio metallico. Formando un SEI ad alte prestazioni attraverso un approccio semplice, abbiamo sviluppato una tecnologia che migliora sia la durata che l'efficienza delle batterie al litio. Ci aspettiamo che questo progresso acceleri la commercializzazione delle batterie al litio-metallo come sistemi di accumulo di energia sostenibile in diverse applicazioni, tra cui veicoli elettrici, veicoli aerei senza equipaggio e navi".
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Pubblicazione originale
Jong Hun Sung, Un Hwan Lee, Jiwon Lee, Bo Yu, Muhammad Irfansyah Maulana, Seung‐Tae Hong, Hyun Deog Yoo, Joonhee Kang, Jong‐Sung Yu; "Dynamic Cycling of Ultrathin Li Metal Anode via Electrode–Electrolyte Interphase Comprising Lithiophilic Ag and Abundant LiF under Carbonate‐Based Electrolyte"; Advanced Energy Materials, 2025-3-12
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