Altolà alle celle «solid state»? LG Energy Solution e KAIST ci provano
I ricercatori di LG e KAIST stanno sviluppando con buoni risultati un elettrolita liquido per celle al litio metallico: migliora drasticamente la densità energetica, aumentando così l’autonomia di guida dei veicoli elettrici
In Corea del Sud LG Energy Solution e il prestigioso Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) stanno sviluppando una tecnologia per le celle agli ioni di litio con anodi in litio metallico che mira a mantenere gli elettroliti in forma liquida, ma con caratteristiche innovative, in grado di dare un sostanziale “boost” alla densità di energia delle celle e quindi ad aumentare significativamente all’atto pratico l’autonomia dei veicoli elettrici.
LG Energy Solution, terzo principale produttore globale di batterie per volumi di vendite, ha dichiarato che un team di ricercatori suo e del KAIST sta facendo rapidi passi avanti con una tecnologia che migliora drasticamente la densità di energia per le batterie note anche come Li-Metal Battery (LMB), dopo oltre due anni di ricerca in corso presso il Frontier Research Laboratory (avviato di comune accordo e con altre università) per rimediare ai principali problemi delle celle con anodi in litio metallico.
Sebbene attraenti ed anzi inizialmente prese in considerazione al posto delle batterie con anodi in grafite per la loro grande densità di energia, alle prese con comuni elettroliti liquidi usati industrialmente le celle che prevedono all’elettrodo negativo lamine al litio metallico sono state fonte di grandi grattacapi per scienziati e produttori.
Oggi infatti una robusta parte della ricerca sulle celle al litio metallico tende a svilupparle insieme ad elettroliti solidi o quasi-solidi. Non così nel caso di LG Energy Solution e dei ricercatori del KAIST.
La strada battuta dai due partner prevede un anodo al litio metallico a contatto con un elettrolita liquido costituito da quattro componenti ma a cui per brevità danno il nome i due composti principali: borato e pirano.
Mentre i borati sono una presenza comune in chimica, il pirano è un composto organico ciclico formato da un atomo di ossigeno e cinque di carbonio, con una struttura simile a un idrocarburo noto (anche troppo…) come il benzene, ma con un atomo di ossigeno al posto di uno dei carboni, il che lo rende una molecola reattiva e adatta a partecipare a più tipi di reazione.
Questo elettrolita trasforma i grandi cristalli di LiF, composto che si forma durante il funzionamento della batteria, in cristalli più piccoli che tendono a formare una pellicola vetrosa. Un aspetto determinante per il successo della cella, perché così facendo creano e regolano un’interfaccia (SEI per gli addetti ai lavori) che agisce come efficace scudo ai componenti della cella limitando al minimo i fenomeni di corrosione e la crescita di dendriti, che può comportare conseguenze che arrivino fino al thermal runaway in casi estremi.
La svolta nel controllo dell’interfaccia dell’elettrodo su scala nanometrica viene considerata la chiave per sbloccare tutto il potenziale delle celle al litio metallico senza fare ricorso alle complicazioni degli elettroliti solidi. Se corroborata nel tempo, questa potrebbe essere una alternativa ad altre che stanno sperimentando dai materiali super-concentrati ai liquidi ionici in varie forme per allungare la vita della batteria con elettroliti liquidi.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati in forma open access in una recente edizione della rivista scientifica Nature Energy, col titolo “Borate-pyran lean electrolyte-based Li-metal batteries with minimal Li corrosion”.
Se applicata a batterie con catodi ad alto contenuto di nichel, che è la classica specialità dei tre produttori coreani di batterie per uso veicolare, la nuova tecnologia permette di aumentare l’efficienza di carica e scarica delle batterie LMB.
Il tutto in una cella in grado di vantare una energia gravimetrica di oltre 400 kWh/kg, adeguata per sostanziali autonomie di guida di un veicolo elettrico fino a 900 chilometri con una singola carica, secondo quanto hanno detto gli esperti LG Energy Solution alla stampa coreana. E anche in grado di aumentarne significativamente la vita utile.
Si tratta come sempre di verificare il time-to-market di questa tecnologia, nel migliore dei casi ipotizzabile tra 4 e 5 anni di lavoro. Questo perché i dati pubblicati nel paper dai ricercatori sono promettenti ma non adeguati (ancora) a un prodotto commerciale: 400 cicli di carica/scarica mantenendo tra il 70% e l’85% della loro capacità. Peraltro la ricerca è interessante per gli aspetti di tecnologia drop-in che ha una batteria con anodo al litio metallico che usa un elettrolita liquido.
Le linee di produzione sarebbero più facilmente adeguabili, mentre diverso è il caso di celle con anodi al litio metallico solid state laddove una batteria con elettrolita borato-pirano non ha bisogno per lavorare adeguatamente né di alte temperature né di alte pressioni.
“Questa tecnologia è significativa in quanto ha superato un importante ostacolo alla commercializzazione di batterie litio-metallo che utilizzano elettroliti liquidi”, ha affermato Jung Geun-chang, vicepresidente e capo del Future Technology Center di LG Energy Solution.
Kim Hee-tak, professore al dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare del KAIST, ha dichiarato: “La nostra ricerca ribalta le ipotesi precedenti, dimostrando che le batterie al litio metallico con elettrolita liquido non sono solo sostenibili ma anche altamente efficienti”.
