Cercetătorii de la Universitatea din Bayreuth, Germania, împreună cu parteneri din China, au făcut o descoperire semnificativă în tehnologia bateriilor. Utilizând un aditiv inovator pe bază de nitrat, aceștia au reușit să dezvolte o nouă baterie litiu-metal solidă care este atât stabilă, cât și potențial de lungă durată. Acest lucru, subliniază echipa de cercetare, subliniază importanța designului molecular în crearea unor aditivi eficienți pentru electroliții cvasi-solizi.
Sigur și stabil
Profesorul doctor Francesco Ciucci, titular al Catedrei de proiectare a electrozilor pentru sisteme electrochimice de energie de la Universitatea din Bayreuth, a colaborat cu parteneri de cercetare din China pentru a rezolva problemele de incompatibilitate dintre nitratul de litiu și 1,3-dioxolanul (DOL) în electroliții de baterii cvasi-solide prin integrarea unui nou aditiv pe bază de nitrat. Aceasta este o evoluție semnificativă, deoarece, în trecut, astfel de probleme de incompatibilitate făceau ca astfel de baterii să fie foarte dificil de creat sau de extins la nivel de producție.
Descoperirea echipei permite acum dezvoltarea de baterii litiu-metal în stare solidă, care sunt foarte sigure, durabile și ușor de produs, menținând în același timp metodele de fabricație utilizate pentru bateriile lichide convenționale.
În cadrul experimentelor lor, au încercat să realizeze diferite versiuni ale acestor baterii și au descoperit că un anumit tip, celula de litiu-sulf (Li-S), a funcționat foarte bine. Bateriile Li-S au potențialul de a avea o densitate energetică foarte mare. Acest lucru înseamnă că pot stoca o cantitate mare de energie în raport cu greutatea lor, ceea ce este deosebit de valoros pentru aplicații precum aviația sau vehiculele electrice, unde greutatea este importantă. În afară de densitatea energetică ridicată, sulful este abundent și ieftin, ceea ce ar putea face ca bateriile Li-S să fie mai rentabile în comparație cu alte tehnologii de baterii, dacă sunt abordate provocările tehnice.
Dar, până în prezent, celulele Li-S au suferit din cauza ciclului de viață și a stabilității scăzute.
„Natura solidă a bateriilor asigură un nivel ridicat de siguranță, în timp ce fabricarea lor rămâne simplă”, a explicat profesorul Ciucci. „Am demonstrat universalitatea abordării prin crearea diferitelor tipuri de baterii litiu-metal. În special, celula Li-S în pungă fabricată prezintă performanțe superioare în comparație cu celulele Li-S în pungă documentate anterior”, a adăugat el.
Profesorul Ciucci și echipa sa de cercetare au introdus un nou aditiv, dinitratul de trietilenglicol, care este special conceput pentru a permite polimerizarea DOL. Echipa de cercetători a arătat că, concomitent cu polimerizarea, formarea unui strat interfazic de electrolit solid bogat în azot suprimă reacțiile parazite dăunătoare și crește eficiența bateriei.
Pe baza rezultatelor studiului, au fost dezvoltate mai multe celule de baterii. Printre acestea, celulele de tip buton la scară de laborator pot fi încărcate și descărcate de peste 2.000 de ori. De asemenea, a fost fabricată o celulă Li-S de 1,7 Ah, cu o densitate energetică ridicată de 304 Wh kg-1 și o ciclare stabilă.
Simplu de produs
Această descoperire reprezintă un mare pas înainte în tehnologia bateriilor. Aceasta arată importanța proiectării corecte a moleculelor pentru a obține baterii mai bune. „Acest studiu subliniază importanța designului structurii moleculare în crearea unor aditivi eficienți pentru electroliții cvasi-solizi. El reprezintă un progres semnificativ în ceea ce privește fezabilitatea practică a utilizării electroliților cvasi-solizi pe bază de poli-DOL în bateriile litiu-metal”, a explicat profesorul Ciucci.
Studiul poate fi consultat în revista Energy & Environmental Science.
Rezumatul studiului:
Polimerizarea in situ a electroliților cvasisolizi (QSSE) apare ca o abordare promițătoare pentru [developing] baterii litiu-metal cvasisolide scalabile, sigure și de înaltă performanță. În acest context, electroliții pe bază de poli-DOL sunt deosebit de atractivi datorită ferestrei lor electrochimice largi și a compatibilității puternice cu litiul metalic. Pentru a spori stabilitatea litiului metalic, se adaugă frecvent LiNO3, deoarece acesta creează o interfață eficientă de electrolit solid bogat în Li3N pe suprafața anodului de litiu metalic. Cu toate acestea, LiNO3 împiedică polimerizarea cu deschidere de inel a DOL, ceea ce face ca cei doi compuși să fie incompatibili. Pentru a rezolva această problemă, această lucrare dezvoltă dinitratul de trietilenglicol (TEGDN), un nou aditiv pe bază de nitrat, pentru a înlocui LiNO3. La fel ca LiNO3, TEGDN formează o interfață electrolitică solidă densă, bogată în azot, la suprafața litiului, protejându-l de reacțiile parazite. Cu toate acestea, spre deosebire de LiNO3, TEGDN nu interferează cu polimerizarea DOL, permițând fabricarea unui electrolit extrem de eficient care oferă o conductivitate ionică de 2,87 mS cm-1 și un potențial de stabilitate la oxidare de 4,28 V la temperatura camerei. Pentru a demonstra viabilitatea acestei abordări, a fost fabricată o celulă de tip monedă Li|LiFePO4 care ciclează în mod stabil de peste 2000 de ori la 1C. În plus, a fost pregătită o celulă de litiu-sulfură de tip pungă de 1,7 A h cu o energie specifică inițială de 304 W h kg-1 și o capacitate de retenție de 79,9% după 50 de cicluri. Pe scurt, studiul de față a propus un nou aditiv pentru a rezolva incompatibilitatea poli-DOL și LiNO3 pentru prima dată, dezvoltând baterii cvasi-solid-statale polimerizate in situ care prezintă o capacitate și o stabilitate remarcabile prin formarea unui electrolit solid bogat în N în interfază.
