«Paper» giapponese sui polimeri promuove il PBS

I ricercatori del JAIST ottengono buoni risultati grazie alle proprietà stabilizzanti ed auto-riparanti del PBS: un rivestimento che avvicina il momento della produzione di batterie con anodi in silicio di grande capacità

Gli anodi in silicio sono una alternativa attraente a quelli tradizionali in grafite per molti progetti di ricerca, che sperano di raggiungere una capacità di stoccare energia assai superiore a quella delle attuali celle. Peraltro gli elettrodi negativi così impostati hanno problemi risaputi di degrado con l’uso ripetuto, che hanno finora rallentato l’arrivo di queste batterie su scala industriale, sebbene i primi “pionieri” stiano cominciando a presentare linee-pilota.

I ricercatori si sono spesso soffermati sulle opportunità di superare il problema facendo uso di rivestimenti polimerici e uno studio recente del JAIST (Japan Advanced Institute of Science and Technology) ha investigato le possibilità del PBS (poli-borosilossano) come materiale in grado di stabilizzare la capacità di anodi in silicio che possano spianare la via in particolare a batterie per veicoli in grado di supportare maggiori autonomie senza degradarsi per la tendenza del silicio ad aumentare di volume durante i cicli di impiego.

Il paper del gruppo del Professor Noriyoshi Matsumi e collaboratori è stato pubblicato sulla rivista scientifica ACS Applied Energy Materials col titolo “Defined Poly(borosiloxane) as an Artificial Solid Electrolyte Interphase Layer for Thin-Film Silicon Anodes”.

I rivestimenti polimerici sono per gli scienziati uno strumento per mettere sotto controllo la formazione eccessiva di SEI (solid electrolyte interphase). La formazione di SEI nell’interazione tra elettrolita ed anodo è essenziale nelle prestazioni a lungo termine di una cella; un materiale come il silicio che tende a espandersi anche notevolmente con l’uso, comporta la formazione continua di strati di SEI e l’esaurimento dell’elettrolita, portando col tempo a batterie così concepite inutilizzabili.

Qui è dove intervengono i rivestimenti polimerici: tutti o quasi gli scienziati che, come quelli del JAIST, hanno seguito questo filone sono andati alla ricerca di soluzioni in grado di prevenire la formazione eccessiva di SEI e di creare una SEI artificiale e stabile, come riepiloga lo schema raffigurato nell’immagine di apertura.

Alcuni tentativi sono stati fatti usando come rivestimento dell’anodo il diffuso PVDF, materiale impiegato finora nelle celle soprattutto come legante. In passato come alternativa al PVDF laboratori avevano già proposto il PBS per rivestire gli anodi al silicio, ma il lavoro al JAIST ha cercato di effettuare un passo avanti nel capire i meccanismi che possono sostenere le buone prestazioni di polimeri adatti a rivestire l’elettrodo negativo.

Nella nota ufficiale il professore giapponese ha commentato: “ci sono finora pochissimi studi dedicati ai polimeri basati sul PBS che offrano una spiegazione comprensiva sull’origine dei loro effetti per la loro applicazione. Perciò volevamo valutarli e far luce sul loro contributo agli anodi in silicio con una interfaccia artificiale auto-riparante che eviti anche una problematica espansione in volume”.

L’équipe ha confrontato le performance a breve e lungo termine di anodi in silicio con e senza rivestimenti in polimeri PVDF e PBS in termini di stabilità, capacità e proprietà dell’interfaccia. Hanno fatto questo attraverso una serie ci misure elettrochimiche e calcoli teorici che li hanno portati a comprendere come il PBS contribuisca a stabilizzare la capacità dell’anodo in silicio.

Le prestazioni delle celle con anodi in silicio rivestiti in PBS (blu), PVDF (giallo), e non rivestite (in rosso) (credito grafico: Professor Noriyoshi Matsumi/JAIST).

I tre principali fattori identificati sono un effetto di intrappolamento dell’anione dovuto al boro trivalente, la miglior aderenza alla superficie dell’elettrodo negativo e la capacità auto-riparante del PBS. Quella delle proprietà auto-riparanti è un filone che interessa molto gli specialisti, tanto che una iniziativa articolata come Battery2030+ che in Europa contribuisce a tracciare i percorsi per la nuova generazione di batterie gli ha dedicato un gruppo di lavoro.

Nel caso degli anodi in silicio rivestiti con polimeri, di fatto il materiale tende a riempire autonomamente ogni fessura che si forma nella SEI durante l’attività e come indica il grafico dopo 300 cicli l’anodo in silicio rivestito in PBS conservava le sue proprietà rispetto a uno rivestito in PVDF e uno privo di coating.

Lo studio giapponese ha impiegato come catodo di riferimento uno con la diffusa chimica NMC (nichel, manganese, cobalto) abbinato all’anodo in silicio rivestito in PBS. Il che porta i ricercatori a dichiarare che questo aprirà la strada a batterie agli ioni di litio di maggiore capacità concretamente realizzabili in tempi (relativamente) brevi.

Il Professor Matsumi in proposito è parso ottimista, dichiarando “la diffusa adozione di batterie agli ioni di litio ad alta capacità permetterà alle auto elettriche di percorrere distanze più lunghe, ai droni di diventare più grandi, e all’energia rinnovabile di essere immagazzinata più efficientemente”.

Credito immagine di apertura: Professor Noriyoshi Matsumi/JAIST