Le batterie agli ioni di litio battono il record di densità energetica

Le batterie agli ioni di litio battono il record di densità energetica

Timestamp: 21 aprile 2023 5:00

Grafico che mostra che la densità energetica delle batterie agli ioni di litio è aumentata da 80 Wh/kg a circa 300 Wh/kg dall'inizio degli anni '1990
La tecnologia avanza: la densità energetica delle batterie agli ioni di litio è passata da 80 Wh/kg a circa 300 Wh/kg dall'inizio degli anni '1990. (Per gentile concessione: B Wang)

I ricercatori sono riusciti a realizzare batterie al litio ricaricabili a sacchetto con una densità energetica da record di oltre 700 Wh/kg. Il nuovo design comprende un catodo a base di manganese ricco di litio ad alta capacità e un sottile anodo di litio metallico con elevata energia specifica. Se ulteriormente sviluppato, il dispositivo potrebbe trovare impiego in applicazioni come l'aviazione elettrica, che richiede batterie con densità di energia molto più elevate rispetto a quelle disponibili oggi.

Le batterie agli ioni di litio sono una tecnologia chiave per aiutare a raggiungere gli obiettivi di neutralità climatica. Sono sempre più utilizzati per alimentare veicoli elettrici e come componenti principali di dispositivi domestici che immagazzinano energia generata da fonti rinnovabili. Anche la tecnologia è molto avanzata: dalla prima commercializzazione da parte di Sony nel 1991, la densità energetica delle batterie agli ioni di litio è passata da 80 Wh/kg a circa 300 Wh/kg.

Il raggiungimento di un'economia veramente priva di emissioni di carbonio, tuttavia, richiederà batterie con prestazioni migliori di quelle che l'attuale tecnologia agli ioni di litio può offrire. Nei veicoli elettrici, ad esempio, una considerazione chiave è che le batterie siano il più piccole e leggere possibile. Il raggiungimento di tale obiettivo richiede densità di energia superiori a 400 Wh/kg. Il problema è che le odierne batterie agli ioni di litio contengono principalmente catodi di tipo intercalato (ad esempio, LiFePO4, LiCoO2 o LiNixMnyCozO2, x+y+z=1) e anodi a base di grafite, e la densità di energia di questi elettrodi si sta avvicinando al suo limite superiore.

Alta tensione di carica-scarica

Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Xiqian Yu ed HongLi dell'Istituto di Fisica, Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, hanno prodotto pratiche batterie al litio ricaricabili a sacchetto utilizzando un Li ultraspesso ad alta capacità di scarica1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2 catodo con una capacità areale superiore a 10 mAh/cm2 e un anodo di litio metallico. L'elevata tensione di carica-scarica degli ossidi a base di manganese ricchi di litio consente una maggiore capacità di accumulo degli ioni di litio.

"L'elettrodo dell'anodo impiega litio metallico ultrasottile incorporato utilizzando una tecnica di rivestimento separatore, che affronta il fastidioso problema della deposizione reversibile di litio ultrasottile di grande capacità superficiale", spiega il primo autore Quan Li.

I dispositivi vantano una densità di energia gravimetrica di 711.3 Wh/kg e una densità di energia volumetrica di 1653.65 Wh/L, entrambe le più alte nelle batterie al litio ricaricabili basate su un catodo di tipo intercalato, dice Li. Mondo della fisica.

"Per quanto riguarda la produzione della batteria, il nostro design della struttura della batteria di estremità (compreso l'uso di collettori di corrente ultrasottili) è stato adattato per ridurre al minimo l'uso di materiali ausiliari, migliorando al contempo la proporzione di materiali attivi nell'intera batteria", aggiunge. "Questo approccio sinergico è ciò che ha consentito l'altissima densità di energia delle batterie".

I veicoli elettrici a lungo raggio e l'aviazione elettrica potrebbero trarne vantaggio

I nuovi dispositivi potrebbero avvantaggiare i veicoli elettrici a lungo raggio e l'aviazione elettrica, che pongono entrambi requisiti sempre più elevati in termini di densità energetica della batteria. La ricerca potrebbe anche aiutare ad affrontare alcuni dei problemi intrinseci associati alla tecnologia delle batterie, afferma Li.

“Ad esempio, offre spunti su come bilanciare la sicurezza e altri fattori importanti nelle batterie ad alta densità energetica, che aiuteranno nella realizzazione pratica di batterie ad alta densità energetica in futuro. La ricerca sulle batterie con densità di energia che si avvicinano ai limiti teorici contribuirà anche a migliorare la nostra conoscenza degli ioni allo stato solido e dell'elettrochimica dello stato solido, consentendo forse l'innovazione tecnologica nei nuovi materiali e nei sistemi di batterie.

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Lettere cinesi di fisica, spiegano che esiste sempre un compromesso tra la densità energetica, le prestazioni del ciclo, la capacità di velocità e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. La sicurezza è un requisito primario, ma un'elevata densità di energia aumenterà i rischi durante il funzionamento della batteria, dicono. "La densità energetica deve essere gradualmente migliorata garantendo al tempo stesso la sicurezza", afferma Li. "Il nostro obiettivo è migliorare le prestazioni di sicurezza della batteria attraverso la tecnologia delle batterie a stato solido, rendendo più pratiche le batterie ad alta densità energetica".

Anche le prestazioni del ciclo delle batterie ad alta densità di energia sono ancora inferiori a quelle delle batterie attualmente commercializzate, aggiunge. “Questo parametro deve essere considerato in modo completo per soddisfare i requisiti di campi specifici. L'applicazione pratica delle batterie ad altissima densità di energia richiederà quindi molto tempo. Affrontare le sfide che ostacolano il loro utilizzo pratico sarà la direzione in corso dei nostri futuri sforzi di ricerca».

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