Le batterie al litio metallico (LMB), un tipo emergente di batterie ricaricabili a base di litio realizzate con metallo a stato solido anziché con ioni di litio, sono tra le tecnologie di batterie ricaricabili ad alta densità di energia più promettenti. Sebbene abbiano alcune caratteristiche vantaggiose, queste batterie presentano diversi limiti, tra cui una scarsa densità di energia e problemi relativi alla sicurezza.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno cercato di superare queste limitazioni introducendo un design alternativo di celle per batterie al litio senza anodi. Questo design senza anodi potrebbe aiutare ad aumentare la densità energetica e la sicurezza delle batterie al litio-metallo.
Ricercatori dell'Istituto Nazionale di Scienze Industriali Avanzate e Tecnologia recentemente condotto uno studio volto ad aumentare la densità energetica delle batterie al litio prive di anodi, introduce una nuova batteria al litio priva di anodi ad alta densità di energia e di lunga durata basata sull'uso di una batteria al litio2O agente sacrificale.
Le architetture delle batterie a celle complete prive di anodi sono generalmente basate su un catodo completamente litiato con un collettore di corrente in rame ad anodo nudo. Sorprendentemente, sia la densità di energia gravimetrica che quella volumetrica delle batterie al litio senza anodi possono essere estese al loro limite massimo. Le architetture di celle prive di anodi presentano numerosi altri vantaggi rispetto ai design LMB più convenzionali, tra cui un costo inferiore, una maggiore sicurezza e procedure di assemblaggio delle celle più semplici.
Per sbloccare il pieno potenziale degli LMB senza anodi, i ricercatori dovrebbero prima capire come ottenere la reversibilità/stabilità della placcatura con metalli di litio. Mentre molti hanno cercato di risolvere questo problema progettando e selezionando elettroliti più favorevoli, la maggior parte di questi sforzi finora non ha avuto successo.
Altri hanno anche esplorato il potenziale dell'uso di sali o additivi che potrebbero migliorare la reversibilità della placcatura/sverniciatura del metallo di litio. Dopo aver esaminato questi precedenti tentativi, i ricercatori del National Institute of Advanced Industrial Science and Technology hanno proposto l'uso di Li2O come agente sacrificale, che è precaricato su un LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 superficie.
"È difficile realizzare un'elevata reversibilità del litio, soprattutto considerando il limitato serbatoio di litio (tipicamente zero eccesso di litio) nella configurazione della cella", hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. “In questo studio abbiamo introdotto Li2O come agente sacrificale precaricato su un LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 catodo, fornendo un'ulteriore fonte di Li per compensare la perdita irreversibile di Li durante il ciclo a lungo termine in una cella priva di anodo iniziale.
Oltre a impiegare Li2O come agente sacrificale, i ricercatori hanno proposto l'uso di un additivo etere fluoropropilico per neutralizzare l'O nucleofilo2-, che viene rilasciato durante l'ossidazione di Li2O, e prevenire l'ulteriore sviluppo di O . gassoso2 risultante dalla fabbricazione di un elettrolita a base di LiF rivestito sulla superficie del catodo della batteria.
“Mostriamo che O2– specie, rilasciata attraverso Li2O l'ossidazione, sono sinergicamente neutralizzate da un additivo etere fluorurato ", hanno spiegato i ricercatori nel loro articolo. "Questo porta alla costruzione di uno strato a base di LiF all'interfaccia catodo/elettrolita, che passiva la superficie del catodo e trattiene la dannosa decomposizione ossidativa dei solventi eterei".
Sulla base del design che hanno ideato, Yu Qiao e il resto del team presso l'Istituto nazionale di scienza e tecnologia industriale avanzata sono stati in grado di realizzare una cella a sacchetto di lunga durata senza anodi iniziali da 2.46 Ah. Questa cella ha mostrato una densità di energia gravimetrica di 320 Wh kg-1, mantenendo una capacità dell'80% dopo 300 cicli di funzionamento.
In futuro, il litio senza anodi batteria introdotto da questo gruppo di ricerca potrebbe aiutare a superare alcuni dei limiti comunemente riportati degli LMB. Inoltre, il suo design potrebbe ispirare la creazione di batterie ricaricabili a base di litio più sicure con densità di energia più elevate e durate più lunghe.
