Batterie migliori dalla ricerca del Lawrence Berkeley Lab

Jul 11, 2023

https://cleantechnica.com/2022/11/24/byd-may-begin-sodium-ion-battery-production-in-2023/

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Un gruppo di ricerca guidato da Gao Liu, uno scienziato senior dell'area delle tecnologie energetiche del Lawrence Berkeley Lab, ha recentemente pubblicato un articolo sulla rivista Nature Energy in cui riferisce di una nuova tecnologia che potrebbe ridurre il costo delle batterie agli ioni di litio e prolungarne la durata. vita utile. Ecco l'abstract:

I polimeri elettricamente conduttivi hanno trovato crescenti applicazioni nei dispositivi di conversione e stoccaggio dell'energia. Nella progettazione convenzionale dei polimeri conduttivi, le funzionalità organiche vengono introdotte tramite approcci sintetici dal basso verso l'alto per migliorare proprietà specifiche mediante la modifica dei singoli polimeri. Sfortunatamente, l’aggiunta di gruppi funzionali porta a effetti contrastanti, limitandone la sintesi su scala e le ampie applicazioni.

Qui mostriamo un polimero conduttivo con semplici elementi costitutivi primari che possono essere trattati termicamente per sviluppare strutture gerarchicamente ordinate (HOS) con morfologie nanocristalline ben definite. Il nostro approccio alla costruzione di HOS permanenti in polimeri conduttivi porta a un sostanziale miglioramento delle proprietà di trasporto della carica e della robustezza meccanica, che sono fondamentali per le pratiche batterie agli ioni di litio.

Infine, dimostriamo che i polimeri conduttivi con HOS consentono prestazioni ciclistiche eccezionali di celle complete con anodi a base di SiOx di dimensioni micron ad alto carico, offrendo capacità areali di oltre 3,0 mAh cm−2 su 300 cicli ed efficienza coulombiana media di> 99,95% .

“Questo progresso apre un nuovo approccio allo sviluppo di batterie per veicoli elettrici che siano più convenienti e facili da produrre”, ha affermato Liu. La grande novità è che il cosiddetto rivestimento HOS-PFM conduce contemporaneamente elettroni e ioni, il che garantisce stabilità alla batteria e velocità di carica/scarica elevate, migliorando al tempo stesso la durata della batteria. Il rivestimento si dimostra promettente anche come adesivo per batterie in grado di prolungare la durata di una batteria agli ioni di litio da una media di 10 anni a circa 15 anni, ha aggiunto.

Credito: Jenny Nuss, Berkeley Lab

Questa è la didascalia del grafico mostrato sopra dal Berkeley Lab:

“Prima del riscaldamento: a temperatura ambiente (20 gradi Celsius), le catene terminali alchiliche (linee nere ondulate) sulla catena polimerica PFM limitano il movimento degli ioni di litio (cerchi rossi).

“Quando riscaldate a circa 450 gradi Celsius (842 gradi Fahrenheit), le catene terminali alchiliche si sciolgono, creando siti “appiccicosi” vuoti (linee ondulate blu) che “si aggrappano” a materiali di silicio o alluminio a livello atomico. Le catene polimeriche di PFM si autoassemblano poi in filamenti simili a spaghetti chiamati “strutture gerarchicamente ordinate” o HOS.

“Come una superstrada atomica, i filamenti HOS-PFM consentono agli ioni di litio di fare un passaggio con gli elettroni (cerchi blu). Questi ioni ed elettroni di litio si muovono in sincronia lungo le catene polimeriche conduttive allineate”.

Se stai seguendo fin qui, continua a leggere. Per dimostrare le proprietà conduttive e adesive superiori di HOS-PFM, Liu e il suo team hanno rivestito elettrodi di alluminio e silicio con HOS-PFM e ne hanno testato le prestazioni in una batteria agli ioni di litio. Il silicio e l’alluminio sono materiali promettenti per gli elettrodi per le batterie agli ioni di litio a causa della loro capacità di accumulo di energia potenzialmente elevata e dei profili leggeri. Ma questi materiali economici e abbondanti si consumano rapidamente dopo molteplici cicli di carica/scarica.

Durante gli esperimenti presso l'Advanced Light Source e il Molecular Foundry, che fa parte del Lawrence Berkeley Lab, i ricercatori hanno dimostrato che il rivestimento HOS-PFM previene in modo significativo il degrado degli elettrodi a base di silicio e alluminio durante il ciclo della batteria, garantendo allo stesso tempo un'elevata capacità della batteria nel corso di 300 cicli, un tasso di prestazione alla pari con gli elettrodi all'avanguardia di oggi.

I risultati sono impressionanti, ha detto Liu, perché le celle agli ioni di litio a base di silicio durano in genere per un numero limitato di cicli di carica/scarica e per una durata di calendario. I ricercatori hanno dimostrato con successo che il rivestimento HOS-PFM impedisce in modo significativo il degrado degli elettrodi a base di alluminio durante il ciclo della batteria, garantendo allo stesso tempo un'elevata capacità della batteria per oltre 300 cicli. “Questo progresso apre un nuovo approccio allo sviluppo di batterie per veicoli elettrici che siano più convenienti e facili da produrre”, ha affermato Gao.