Più energia da un elettrolita a base sulfonammide

Studio promettente del MIT su un elettrolita sviluppato per le futuristiche batterie litio-aria, che ha prodotto ottimi risultati applicato a catodi commerciali e anodi in litio metallico

Si intensifica il numero di pubblicazioni su studi che puntano a incrementare di molte volte la densità di energia delle celle. La ricerca sulla possibilità di sostituire la grafite degli anodi con litio metallico di assai maggiore capacità, potrebbe aver appena compiuto un passo significativo grazie a un nutrito team di ricercatori al Massachusetts Institute of Technology (e di due laboratori) dove sono stati ottenuti promettenti risultati con un elettrolita che, se non nuovo essendo basato su sulfonammide, è stato applicato in ambito diverso da quello per cui è nato.

I professori Ju Li, Yang Shao-Horn e Jeremiah Johnson, sostenuti da un gruppo di ricercatori hanno pubblicato su Nature Energy i risultati di esperimenti su celle in grado di esibire una densità di energia di circa 420 Wh/kg contro la norma attuale di 260 Wh/kg. Per trovare celle con valori analoghi di cui sia noto un programma di commercializzazione (nel 2024) bisogna scomodare quelle con elettroliti solid state: ad esempio quelle di QuantumScape, a loro volta munite di anodi in litio metallico.

La capacità della cella al litio metallico del MIT è di >230 mA h g−1 con una efficienza coulombica >99,65% dopo 100 cicli. Secondo lo studio, le materie prime impiegate non sono particolarmente costose, anche se uno dei composti intermedi non è particolarmente economico visto che il suo impiego finora è stato molto limitato.

Il Professor Johnson ha spiegato che l’elettrolita è stato sviluppato qualche anno fa durante lo sviluppo di prototipi di batterie litio-aria, una sorta di Sacro Graal nel settore per qualità ma ancora molto distanti dalle applicazioni pratiche. Ma spostato al molto più pratico campo delle batterie litio-ione, quell’elettrolita sviluppato originariamente da Johnson, Shao-Horn ed altri manifesta indubbi vantaggi.

Durante le ricerche precedenti gli scienziati hanno messo a punto tre formulazioni di elettrolita organico basato su sulfonammide, e nella ricerca che ha prodotto il paper l’hanno utilizzato con celle dai catodi convenzionali NCM 811 (nichel 80%, cobalto 10% e manganese 10%), raccogliendo un suggerimento del ricercatore post-doc Weijiang Xue.

Esami strutturali condotti al Brookhaven National Laboratory, hanno messo in evidenza come durante i processi di carica e scarica il materiale degli elettrodi fossero molto meno sottoposti a stress, fessurazioni e degrado quando veniva usato l’elettrolita a base sulfonamide.

Al contrario in precedenti studi sugli anodi in litio metallico, i processi di carica e scarica tendevano frequentemente a disciogliere gli atomi del metallo nell’elettrolita, portando l’anodo a perdere massa e il metallo a deteriorarsi.

Il Professor Li ha invece sottolineato come i risultati visti siano stato sorprendenti per la capacità del nuovo elettrolita di bloccare la tendenza al disciogliersi del metallo: la robusta morfologia del materiale dell’elettrolita appare ridurre la solubilità dei metalli di transizione, evitando il deterioramento progressivo dell’elettrodo.

Nella foto di apertura si può vedere un’immagine ai raggi X presa al Brookhaven National Laboratory che mostra a sinistra una particella di materiale di un elettrodo fessurata dopo l’utilizzo di elettroliti liquidi commerciali e a destra una particella più compatta e densa di una cella in cui è stato utilizzato il nuovo elettrolita liquido.

E tuttavia, rimarca Li, l’elettrolita liquido consente agli ioni di litio di muoversi liberamente, pur bloccando gli altri cationi, quelli dei metalli di transizione. Pertanto l’accumularsi di strati sulla superficie dell’elettrodo dopo molti cicli di carica e scarica è risultata notevolmente ridotta rispetto a quanto avviene con elettoliti commerciali basati sui carbonati.

“L’elettrolita è chimicamente resistente all’ossidazione di materiali nickel rich ad alta energia, previene la fessurazione delle particelle e stabilizza l’elettrodo positivo durante i cicli”, ha detto Shao-Horn, professore di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali. “l’elettrolita rende anche possibile dissoluzione e deposizione stabile e reversibile del litio metallico, un passo importante verso la realizzazione di batterie ricaricabili al litio metallico con due volte l’energia delle migliori batterie agli ioni di litio”.

Il prossimo passo sarà rendere questo tipo di cella economicamente interessante. Il Professor Johnson ha ammesso che il composto usato nei precursori per realizzare l’elettrolita è ancora costoso. Ma si è detto ottimista che una volta dimostrate le sue qualità la motivazione ad adottarlo farà sì che ci sia un effetto scala in grado di ridimensionare i costi, a iniziare dall’elettronica di consumo.

Il Professor Li si dimostra ottimista a sua volta considerando che quello studiato è un elettrolita compatibile con le linee di produzione più diffuse e potrebbe iniziare ad essere commercializzato nel giro di un paio di anni: “non contiene elementi costosi, è solo carbonio e fluoro. Perciò non è limitato dalle risorse ma è solo questione di processo”.

Credito immagine di apertura: Xue, W., Huang, M., Li, Y. et al. Ultra-high-voltage Ni-rich layered cathodes in practical Li metal batteries enabled by a sulfonamide-based electrolyte. Nat Energy (2021).