Dalla Corea un nuovo “doping” per le batterie con elettroliti solidi «LLZO»
Un team del produttore asiatico di batterie SK On e della Dankook University ottiene una conduttività ionica più elevata e maggiore stabilità per il materiale garnet anche se esposto all’aria e a temperatura ambiente
La coreana SK On ha presentato gli sviluppi di una ricerca congiunta con la Dankook University che perfeziona un noto elettrolita solido a base di ossidi. I risultati sono stati soddisfacenti in particolare per i valori ottenuti per quanto riguarda la conduttività ionica dell’elettrolita e soprattutto per quelli riproducibili a temperatura ambiente, il che apre ulteriori possibilità per la crescita delle celle con elettroliti solid state.
Il 31 agosto, il secondo produttore coreano di batterie ha reso noto che il risultato dello studio, guidato dal Professor Park Hee-jung del Dipartimento di Ingegneria dei Materiali Avanzati della Dankook University, è stato pubblicato nell’ultimo numero della rivista scientifica Advanced Functional Materials col titolo “Li-La-Zr-O Garnets with High Li-Ion Conductivity and Air-Stability by Microstructure-Engineering”.
Il produttore di celle SK On (noto soprattutto come partner Ford e Hyundai/Kia) e il team di ricerca congiunto della Dankook University stanno anche completando le procedure per ottenere brevetti nazionali e internazionali per la tecnologia di drogaggio e di realizzazione del loro elettrolita.
Questa ricerca sugli elettroliti allo stato solido si è concentrata su un materiale tipo garnet, il Li7La3Zr2O12 o per brevità LLZO, di cui si conoscono da tempo l’alta conduttività ionica e la stabilità elettrochimica, se alle prese con anodi in litio metallico.
Il team di ricerca lavorando su drogaggi e ingegnerizzazione del materiale è riuscito a migliorare la conduttività degli ioni di litio del 70%, fino ad arrivare a valori di ≈1.7 mS cm−1 a 25°, modificando la composizione degli elettroliti solidi LLZO con piccole quantità di gallio (un materiale noto anche per i semiconduttori usati nell’elettronica di potenza) e trasformandolo in Li6.25Ga0.25La3Zr2O12 (GLLZO).
Altri centri di ricerca avevano già ottenuto risultati interessanti concentrandosi sul doping che fa ricorso al gallio, ma soprattutto guardando a batterie thin film, piuttosto che al farvi ricorso per celle destinate all’uso in veicoli elettrici, che è il core business e la ragion d’essere di SK On.
Il risultato con valori più elevati, che si possono vedere nel grafico di apertura nella parte più a destra dell’immagine a confronto con materiale LLZO non modificato e altri tipi di doping, è stato ottenuto da un elettrolita con particelle a grana grossa.
Tuttavia, in questo caso è stata confermata la tendenza alla vulnerabilità all’umidità (H2O) e all’anidride carbonica (CO2), una proprietà che in qualche misura tende a diminuire la loro fungibilità, se sono esposti all’atmosfera per lungo tempo.
Gli scienziati hanno insistito a cercare più alternative perché, sebbene gli elettroliti solidi a base di ossido abbiano una conduttività ionica inferiore rispetto a quelli a base di solfuro, tendono ad avere migliore stabilità chimica. Sono quindi meno reattivi coi materiali catodici e possono contribuire a sopprimere il fenomeno dei dendriti, rendendo più semplice sostituire gli attuali comuni anodi in grafite con quelli al litio metallico ad alta capacità.
Choi Kyung-hwan, lo scienziato che guida il Next-Generation Battery Research Center di SK On, ha dichiarato al quotidiano in lingua inglese Korea Herald: “questo elettrolita solido, che ha sia conduttività ionica che stabilità atmosferica, avrà un enorme effetto a catena come tecnologia innovativa per realizzare batterie allo stato solido di alta qualità”.
La stabilità atmosferica dell’elettrolita solido GLLZO è stata particolarmente promettente facendo ricorso a materiale a grana fine: in questo caso lo scotto da pagare è stata una leggera diminuizione del valore massimo di conduttività ottenibile (≈1.3 mS cm−1) ma col vantaggio, rispetto ai campioni di elettrolita solido a grana grossa, di evitare la formazione di Li2CO3 sulla superficie, che tende alla formazione di fessure e questo sì riduce significativamente la conduttività.
Poiché gli elettroliti solidi della famiglia garnet cui appartiene LLZO sono già familiari agli scienziati, appare possibile che non debba passare troppo tempo prima che la manifattura possa trovare modo di mettere a frutto questi progressi. SK On ha reso da tempo noto che sta sviluppando due tipi di celle con elettroliti allo stato solido, una basata sui polimero e l’altra sui solfuri.
Entrambi i filoni mirano a giungere ai primi prototipi nel 2026 e a commercializzarli nel 2028. L’impianto-pilota di batterie di prossima generazione è già in costruzione presso il Daejeon Battery Research Institute e dovrebbe essere completato il prossimo anno.
