I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory hanno sviluppato un elettrolita allo stato solido super-sottile e super-flessibile che viene usato in fogli e che potrebbe raddoppiare la densità energetica delle batterie di auto elettriche, telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici.
Il lavoro del team di scienziati, pubblicato da ACS Energy Letters, si basa su una precedente invenzione dello stesso istituto che è stata migliorata grazie all’ottimizzazione dei legami polimerici di elettroliti a base di solfuro. Potrebbe portare ad accumulatori con una densità di 500 Wh/kg.
Alla ricerca dello spessore ideale
L’elettrolita solido in questione ha uno spessore di soli 30 micrometri e, oltre ad aumentare la quantità di energia che può essere immagazzinata, consente anche una durata maggiore della vita utile. Guang Yang, supervisore del progetto e tra gli autori dello studio, ha spiegato che gli sforzi maggiori sono stati compiuti per trovare lo spessore perfetto della pellicola elettrolitica, che è stata decisa sia per la migliore conduzione ionica, sia per la corretta resistenza strutturale.
Inoltre, questo elettrolita ha altri vantaggi. “Gli attuali elettroliti allo stato solido utilizzano un polimero plastico che conduce gli ioni – spiega Yang –, ma la loro conduttività è molto inferiore a quella degli elettroliti liquidi. Tanto che a volte, gli elettroliti polimerici incorporano elettroliti liquidi per migliorare le prestazioni” (come accade per esempio sulla batteria da 150 kWh di Nio).
La piattaforma con batteria allo stato semisolido WeLion usata da NIO
L’importanza della catena polimerica
I ricercatori hanno anche scoperto che il peso molecolare del legante polimerico è fondamentale per creare pellicole elettrolitiche allo stato solido durevoli. Le pellicole realizzate con leganti leggeri, che hanno catene polimeriche più corte, non hanno la forza necessaria per restare a contatto con il materiale elettrolitico. Al contrario, le pellicole realizzate con leganti più pesanti, che hanno catene polimeriche più lunghe, hanno una maggiore integrità strutturale. Ma per una buona conduzione degli ioni serve il giusto compromesso.
“Vogliamo ridurre al minimo il legante polimerico perché non conduce ioni – continua Yang -. L'unica funzione del legante è quella di bloccare le particelle di elettrolita nella pellicola. L'uso di più legante migliora la qualità della pellicola ma riduce la conduzione ionica. Al contrario, l'uso di meno legante migliora la conduzione ionica ma compromette la qualità della pellicola”.
Si deve passare ai test pratici
Fatte queste scoperte, i ricercatori statunitensi stanno ora ampliando il laboratorio per avviare ulteriori ricerche sui solfuri, che tendono a contaminare altri materiali. Il team costruirà poi un dispositivo in grado di integrare una pellicola sottile negli elettrodi negativi e positivi di prossima generazione per testarla in condizioni pratiche.
Quindi collaboreranno con ricercatori dell'industria, del mondo accademico e del Governo americano per sviluppare e testare la pellicola in vari tipi di batterie allo stato solido.
A proposito di batterie allo stato solido