Dalla California la cella «solid state» con anodo al silicio puro

Nascerà anche una startup per valorizzare la batteria creata da ricercatori dell’università di California San Diego: sono andati controcorrente abbinando elettroliti allo stato solido e un elettrodo al 99,9% basato su micro-silicio

Scienziati dell’università di California San Diego si stanno dedicando a una cella con elettroliti allo stato solido, una delle possibili chiavi per schiudere una transizione meno complessa e che richieda meno sacrifici, anche nelle abitudini.

Rispetto alle celle oggi studiate, abbina a questo genere di elettroliti un anodo integralmente fatto di silicio, laddove la maggior parte dei ricercatori tende a far coesistere la tecnologia solid state con anodi in litio metallico: l’uno e l’altro caso sono alternativi alla grafite che va per la maggiore nell’attuale produzione.

I primi test mostrano una nuova batteria con qualità di sicurezza, durata, che appaiono loro promettenti per impieghi veicolari e stazionari. La tecnologia contenuta nella batteria, sviluppata in collaborazione con ricercatori del secondo gruppo globale delle batterie per volume di vendite LG Energy Solution, è stata descritta in un articolo appena ospitato dalla prestigiosa rivista Science.

La densità degli anodi di silicio superiore di circa di dieci volte a quella degli anodi commerciali in grafite è ben nota agli addetti ai lavori. Ma finora questo materiale è anche tristemente famoso per come si espande e contrae quando la batteria è sottoposta a carica e scarica e per la loro tendenza a degradarsi a contatto con elettroliti liquidi, il che spiega perché la percentuale di silicio contenuta negli anodi nella maggior parte dei casi nelle celle commerciali montate su auto, autobus, moto eccetera sia molto meno del 10% del materiale nell’elettrodo.

Il lavoro intrapreso propone una soluzione promettente secondo i ricercatori ai problemi tipici dell’anodo in silicio riducendo l’uso di materiale a base carbonio per mitigare gli effetti collaterali possibili, ma ponendo confini ben delimitati ai tipici cambiamenti di volume del silicio quando la cella viene attivata.

Quando la batteria si carica gli ioni di litio viaggiano dal catodo all’anodo e si forma una interfaccia che man mano diventa più stabile perché nell’elettrodo si formano particelle Li-Si che ne aumentano la densità e contribuiscono a rendere più integra e stabile l’interfaccia tra anodo ed elettroliti. Non solo: l’approccio elimina anche la crescita di materiale sull’interfaccia, bloccando la strada ai dendriti che sono una minaccia alla sicurezza della cella.

Il leading author dello studio di Science è Darren H.S. Tan, fresco di PhD in ingegneria chimica alla Jacobs School of Engineering dell’ateneo sul Pacifico e co-fondatore della startup Unigrid Battery che ha brevettato la tecnologia proposta. Il gruppo di lavoro ha dimostrato in laboratorio che una cella supera 500 cicli di carica e scarica conservando l’80% della capacità a temperatura ambiente.

Se le celle commerciali basate su chimica degli elettrodi e degli elettroliti dimostrano per il doppio dei cicli una capacità conservata superiore, questo non toglie che il risultato di Tan e colleghi sia significativo nel campo ancora prevalentemente sperimentale di anodi al 100% in silicio e delle batterie solid state.

La Professoressa Shirley Meng, co-autrice del paper sulla cella con anodo in silicio (malgrado sia ferratissima anche su quelli in litio metallico, come abbiamo riferito in passato) ha commentato: “come scienziati delle batterie, è vitale risolvere i problemi alla radice in una tecnologia. Per gli anodi in silicio, sappiamo che una delle grandi questioni è l’instabilità dell’interfaccia con l’elettrolita liquido. Avevamo bisogno di un approccio totalmente differente”.

Perciò il gruppo dell’università di California San Diego ha eliminato il carbonio dall’anodo e le sostanze leganti orientandosi verso silicio puro, che è stato usato in formato micro-silicio, meno lavorato e costoso del nano-silicio che viene già maneggiato in numerosi laboratori accademici ed industriali.

L’altro componente di cui si è fatto a meno oltre alla grafite è stato l’elettrolita liquido, sostituito da un elettrolita solido basato sui solfuri, rivelatosi molto stabile associato ad anodi in silicio e che ha permesso di evitare la perdita di capacità che si verifica quando si impiegano elettroliti liquidi.

Sebbene la Professoressa Meng abbia affermato che ci sia ancora molto lavoro da fare, ad esempio a livello di temperature e pressione e in particolare per ridurre la massa dell’elettrolita che nel caso della cella usata in laboratorio era rilevante (al 20%), le proprietà del silicio ed i risultati ottenuti fin qui hanno indotto i ricercatori a creare uno spinoff per valorizzarli.

“L’approccio basato su solid state e silicio supera molte limitazioni delle batterie convenzionali”, ha commentato Tan nella nota ufficiale con cui sono stati annunciati risultati. “Ci presenta opportunità straordinarie perché possiamo rispondere a domande di mercato per alta densità volumetrica di energia, costi contenuti e batterie più sicure, specialmente per il settore dell’accumulo”.

Agli elettroliti allo stato solido basati sui solfuri veniva in passato addebitata una sostanziale instabilità. Ma questo era un effetto della dominante presenza di architetture con elettroliti liquidi, e non erano ancora state in grado di recepire l’elevata stabilità cinetica di quelli allo stato solido. La squadra di ricercatori che avvia la nuova startup si è invece concentrata proprio su questo aspetto affrontando il tema in modo poco convenzionale per creare un anodo dall’elevata stabilità.

Unigrid Battery, in collaborazione con LG Energy Solution che ha sostenuto il progetto attraverso il proprio piano Battery Innovation Contest, continuerà a pieno ritmo a sviluppare la tecnologia, a cui il grande gruppo coreano guarda per diversificare ancora di più la propria offerta a medio e lungo termine.

Credito immagine di apertura: ufficio stampa UC San Diego