Auto elettriche: Un ingrediente in molti dentifrici è il fluoruro di sodio, un composto del fluoro. Viene aggiunto per proteggere i denti dalla carie. Ma i composti contenenti fluoro hanno altri usi pratici che potrebbero sorprenderti. Gli scienziati dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto un elettrolita al fluoruro che potrebbe proteggere una batteria di nuova generazione dal calo delle prestazioni.
“Una nuova entusiasmante generazione di tipi di batterie per veicoli elettrici oltre agli ioni di litio è all’orizzonte”, ha affermato Zhengcheng (John) Zhang, leader del gruppo nella divisione Scienze chimiche e ingegneria di Argonne.
Le caratteristiche chimiche delle batterie non agli ioni di litio offrono il doppio o più di energia immagazzinata in un dato volume o peso rispetto alle batterie agli ioni di litio. Potrebbero alimentare auto per distanze molto più lunghe e un giorno potrebbero persino alimentare camion e aerei a lungo raggio. L’aspettativa è che l’uso diffuso di tali batterie contribuirà ad affrontare il problema del cambiamento climatico. Il problema principale è che la loro alta densità di energia diminuisce rapidamente con ripetute cariche e scariche.
Uno dei principali contendenti ha un anodo (elettrodo negativo) in litio metallico al posto della grafite normalmente utilizzata nelle batterie agli ioni di litio. Viene quindi chiamata una batteria “al litio metallico”. Il catodo (elettrodo positivo) è un ossido di metallo che contiene nichel, manganese e cobalto (NMC). Sebbene sia in grado di fornire più del doppio della densità di energia possibile con una batteria agli ioni di litio, queste eccezionali prestazioni svaniscono rapidamente in meno di cento cicli di carica-scarica.
La soluzione del team prevedeva la sostituzione dell’elettrolita, un liquido attraverso il quale gli ioni di litio si muovono tra il catodo e l’anodo per implementare la carica e la scarica. Nelle batterie al litio metallico , l’elettrolita è un liquido costituito da un sale contenente litio disciolto in un solvente. La fonte del problema del breve ciclo di vita è che l’elettrolita non forma uno strato protettivo adeguato sulla superficie dell’anodo durante i primi cicli. Questo strato, chiamato anche interfase di elettrolita solido (SEI), agisce come un guardiano, consentendo agli ioni di litio di passare liberamente dentro e fuori dall’anodo per caricare e scaricare la batteria, rispettivamente.
La loro ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Communications .
Il team ha scoperto un nuovo solvente al fluoruro che mantiene un robusto strato protettivo per centinaia di cicli. Accoppia un componente fluorurato a carica positiva (catione) con un altro componente fluorurato a carica negativa (anione). Questa combinazione è ciò che gli scienziati chiamano un liquido ionico, un liquido costituito da ioni positivi e negativi.
“La differenza fondamentale nel nostro nuovo elettrolita è la sostituzione del fluoro con gli atomi di idrogeno nella struttura ad anello della parte cationica del liquido ionico”, ha detto Zhang. “Questo ha fatto la differenza nel mantenere alte prestazioni per centinaia di cicli in una cella di prova al litio metallico.”
Per comprendere meglio il meccanismo alla base di questa differenza su scala atomica , il team ha attinto alle risorse di calcolo ad alte prestazioni dell’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per utenti del DOE Office of Science.
Come ha spiegato Zhang, le simulazioni sul supercomputer Theta dell’ALCF hanno rivelato che i cationi di fluoro si attaccano e si accumulano sulle superfici dell’anodo e del catodo prima di qualsiasi ciclo di carica-scarica. Quindi, durante le prime fasi del ciclo, si forma uno strato SEI resiliente che è superiore a quanto possibile con gli elettroliti precedenti.
La microscopia elettronica ad alta risoluzione presso l’Argonne e il Pacific Northwest National Laboratory ha rivelato che lo strato SEI altamente protettivo sull’anodo e sul catodo ha portato al ciclo stabile.
Il team è stato in grado di regolare la proporzione di solvente fluoruro rispetto al sale di litio per creare uno strato con proprietà ottimali, incluso uno spessore SEI che non sia né troppo spesso né sottile. A causa di questo strato, gli ioni di litio possono fluire efficacemente dentro e fuori dagli elettrodi durante la carica e la scarica per centinaia di cicli.
Il nuovo elettrolita del team offre anche molti altri vantaggi. È a basso costo perché può essere realizzato con purezza e resa estremamente elevate in un semplice passaggio anziché in più passaggi. È ecologico perché utilizza molto meno solvente, che è volatile e può rilasciare contaminanti nell’ambiente. Ed è più sicuro perché non è infiammabile.
“Le batterie al litio metallico con il nostro elettrolita cationico fluorurato potrebbero potenziare notevolmente l’industria dei veicoli elettrici”, ha affermato Zhang. “E l’utilità di questo elettrolita si estende senza dubbio ad altri tipi di sistemi di batterie avanzati oltre agli ioni di litio “.
