Il nuovo processo cerca di prevenire la perdita di energia irreversibile nelle batterie
Spesso, quando una batteria dice che è completamente carica, la capacità è spesso solo al 70-90% della densità di energia teorica che può essere immagazzinata, a causa della perdita permanente di ioni di litio che può verificarsi durante la fase di formazione della produzione della batteria.
Nel tentativo di superare questo problema e prevenire questa perdita iniziale di ioni di litio, gli scienziati del Korea Institute of Science e Tecnologia (KIST) hanno sviluppato una soluzione di pretrattamento degli elettrodi in grado di ridurre al minimo questa perdita iniziale di ioni Li negli anodi compositi di grafite-ossido di silicio (SiOx, 0.5 ≤ x ≤ 1.5).
Dopo essere stato immerso nella soluzione, l'anodo, che era composto per il 50% da SiOx, ha mostrato una perdita di Li trascurabile, consentendo a una cella piena di mostrare una densità di energia quasi ideale.
La maggior parte delle batterie al litio commerciali utilizza un anodo di grafite, ma SiOx ha ricevuto un'attenzione significativa grazie alla sua elevata capacità, che è 5-10 volte maggiore della grafite. SiOx, tuttavia, consuma anche in modo irreversibile tre volte più Li attivo della grafite. Di conseguenza, un elettrodo composito, costituito da una miscela di grafite e SiOx, è stato promosso come alternativa per gli anodi pratici di nuova generazione.
Mentre c'è stato un corrispondente aumento della capacità degli elettrodi compositi di grafite-SiOx a rapporti più elevati di SiOx, c'è stato anche un aumento della perdita di Li iniziale. Di conseguenza, il rapporto del contenuto di SiOx in un elettrodo composito grafite-SiOx doveva essere limitato al 15%, poiché aumentare il rapporto al 50% comporterebbe una perdita iniziale di Li del 40%.
Per contrastare ciò, il team di ricerca di KIST ha sviluppato un processo in cui l'elettrodo viene immerso in una soluzione unica per mitigare il consumo di litio da parte dell'elettrodo SiOx. Il team ha quindi applicato questo processo a un materiale composito grafite-SiOx con un potenziale di commercializzazione significativo.
Il team ha scoperto che le soluzioni di pretrattamento sviluppate in precedenza avrebbero causato l'inserimento involontario di molecole di solvente con ioni di litio nella grafite, grazie alla versatile capacità di intercalazione della grafite. Questa intercalazione di grandi molecole di solvente ha provocato la rottura strutturale dell'elettrodo composito di grafite-SiOx. Per prevenire il guasto dell'elettrodo, i ricercatori hanno sviluppato una soluzione alternativa utilizzando un solvente debolmente solvatante per ridurre l'interazione tra il solvente e gli ioni di litio. Questa soluzione ha consentito l'inserimento selettivo di ioni Li nei materiali attivi, garantendo una fornitura stabile di ulteriore Li all'elettrodo composito di grafite-SiOx.
Il consumo iniziale di Li è stato completamente evitato dopo che l'elettrodo di grafite-SiOx è stato immerso nella soluzione sviluppata dal team di ricerca per circa 1 minuto, anche con un rapporto SiOx del 50%. Di conseguenza, l'elettrodo ha mostrato un'elevata efficienza iniziale di quasi il 100%, indicando una perdita di Li trascurabile (≤ 1%) nella carica iniziale. Gli elettrodi sviluppati attraverso questo processo avevano una capacità 2.6 volte superiore rispetto agli anodi di grafite convenzionali, pur mantenendo l'87.3% della capacità iniziale dopo 250 cicli di carica/scarica.
Secondo la dott.ssa Minah Lee di KIST, "Come risultato di questo studio, dovremmo essere in grado di aumentare il contenuto di SiOx negli anodi compositi di grafite-SiOx a oltre il 50%, rispetto al rapporto del 15% consentito dai materiali convenzionali, rendendo è possibile produrre batterie agli ioni di litio con una capacità maggiore e migliorare il chilometraggio dei futuri veicoli elettrici.
Il Dr. Jihyun Hong, un co-ricercatore presso KIST, ha continuato aggiungendo: "La tecnologia è sicura e adatta alla produzione di massa, e quindi è probabile che venga commercializzata".