Il salto di qualità dell’elettrolita ad alta conduttività ionica Asahi Kasei
Acetonitrile e due additivi sviluppati per tre lustri da scienziati giapponesi (tra cui il premio Nobel Yoshino) dal 2025 arricchiranno un elettrolita per batterie più performanti e meno costose
L’azienda giapponese specializzata nei materiali Asahi Kasei sta ottenendo risultati molto promettenti dai suoi prototipi di batterie agli ioni di litio che utilizzano un elettrolita proprietario ad alta conduttività ionica. Questo elettrolita consente una maggiore potenza anche alle basse temperature e una maggiore durata ad alta temperatura, entrambi punti deboli nella attuale tecnologia commerciale delle celle che muovono i veicoli elettrici.
Rispetto alle celle realizzate con un elettrolita convenzionale, i prototipi di celle cilindriche LFP, ovvero a base ferrosa, testate dagli scienziati Asahi Kasei hanno mostrato un’elevata potenza a -40° e il doppio del ciclo di vita a 60°, prima di raggiungere uno stato di salute (SOH) dell’80%. La commercializzazione è prevista per il 2025.
La tecnologia, come riassume il grafico diffuso nella nota ufficiale dell’azienda, può contribuire a ridurre i costi perché utilizzando l’elettrolita conduttivo ad alto contenuto ionico, è possibile ridurre le dimensioni del pacco batterie mantenendo la potenza erogata, contribuendo a una maggiore densità di energia della batteria.
Oggi si consiglia di utilizzare le celle agli ioni di litio in un intervallo di temperatura compreso tra 10 e 45 °C. Temperature più basse si traducono in una minore capacità delle celle, una minore potenza utile e tempi di ricarica più lunghi, mentre temperature più elevate provocano un invecchiamento accelerato che riduce la durata del pacco batteria. Col mercato globale che continua ad espandersi, in particolare nel settore dei veicoli elettrici, prestazioni stabili della batteria e lunga vita utile a temperature estreme sono di notevole importanza.
La cosa forse più interessante è che l’annuncio Asahi Kasei mette a fuoco la fase di ricerca e sviluppo che una tecnologia innovativa richiede per arrivare a piena maturazione. L’azienda ha iniziato a sviluppare un elettrolita con elevata conduttività ionica nel 2010, quando il (non ancora) Premio Nobel Akira Yoshino aveva iniziato a concentrarsi sull’acetonitrile (C2H3N, per brevità qui abbreviato in AN) come ingrediente promettente per gli elettroliti delle celle agli ioni di litio.
Peraltro è stato necessario attendere fino al 2021 perché venisse pubblicato un paper con risultati ritenuti ormai definitivi, nel lavoro uscito col nome “Moderately Concentrated Acetonitrile-containing Electrolytes with High Ionic Conductivity for Durability-oriented Lithium-Ion Batteries” e firmato anche da Naoki Matsuoka, Hirokazu Kamine e Yutaka Natsume.
Lo studio ha confermato che gli elettroliti contenenti AN migliorano la capacità delle celle LFP messe alla prova consentendo l’uso di elettrodi di maggior spessore, che possono portare a una maggiore capacità di accumulo di energia. Conducibilità ioniche estremamente elevate (>15 mS cm−1) per gli elettroliti contenenti AN sono stati ottenute adottando una concentrazione di sali di litio simile a quelle degli elettroliti convenzionali, a base carbonato.
Gli scienziati hanno concluso che l’AN è applicabile alle batterie agli ioni di litio senza l’uso di formulazioni super-concentrate, che sono state ampiamente accettate come necessarie per sopprimere la decomposizione riduttiva dell’AN, mediante un controllo preciso della formazione di SEI (solid electrolyte interface) sull’elettrodo negativo utilizzando una combinazione equilibrata di additivi.
Nello studio, il carbonato di vinilene e il solfito di etilene contribuiscono a migliorare la durata e la stabilità degli elettroliti contenenti AN, svolgendo un ruolo cruciale nel sopprimere la decomposizione riduttiva dell’acetonitrile negli elettroliti. Questi additivi agiscono come mattoni di formazione dell’interfaccia elettrolitica solida, contribuendo a creare uno strato stabile di SEI sulla superficie dell’elettrodo che funge da barriera protettiva, impedendo il contatto diretto tra elettrolita ed elettrodo.
Utilizzando elettroliti contenenti AN con elevata conduttività ionica, diventa possibile ottenere prestazioni ad elevato C-rate a basse temperature e migliorare le prestazioni a lungo termine alle alte temperature. Queste prestazioni migliorate possono portare a una maggiore capacità ed efficienza complessiva della batteria, rendendo le batterie più affidabili e durevoli in un’ampia gamma di condizioni operative.
Inoltre, la capacità di ridurre la concentrazione di LiPF6 nelle celle utilizzando elettroliti contenenti AN può aiutare a ridurre i costi senza intaccare le performance. Controllando il deterioramento delle prestazioni causato dall’HF (acido prodotto dalla decomposizione ossidativa dell’elettrolita), è possibile migliorare longevità e affidabilità delle batterie contenenti elettroliti contenenti AN, fondamentale per la loro sostenibilità.
