Ceramica ibrida

Le future generazioni di batterie allo stato solido agli ioni di litio basate su elettroliti ibridi ceramica-polimero potrebbero offrire il potenziale per un maggiore accumulo di energia, una ricarica più rapida e una maggiore stabilità elettrochimica e termica, superando al contempo molte delle sfide tecnologiche associate alle precedenti batterie allo stato solido. .

Al Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), i ricercatori stanno lavorando per espandere la loro comprensione fondamentale di questi elettroliti ibridi, il componente che trasferisce la carica tra gli elettrodi mentre le batterie alimentano i sistemi come i veicoli elettrici (EV) e vengono quindi ricaricati. Le batterie agli ioni di litio ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici di oggi si basano su elettroliti liquidi, che sono suscettibili alla fuga termica e al fuoco se danneggiati.

"Abbiamo dimostrato che possiamo fabbricare questi elettroliti ibridi a stato solido e inserirli in celle a bottone per dimostrare elevate prestazioni ed elevata stabilità", ha affermato Ilan Stern, uno dei principali ricercatori che guida la ricerca sulle batterie presso il Georgia Tech Research Institute ( GTRI), organizzazione di ricerca applicata della Georgia Tech. “Abbiamo gettato le basi per dimostrare che possiamo sviluppare innovazioni nelle batterie a stato solido basate su questi ibridi ceramica-polimero. Il nostro prossimo passo è integrare la tecnologia nelle celle a sacchetto, il tipo di batterie utilizzate nei veicoli elettrici”.

I ricercatori del GTRI stanno lavorando con i colleghi della George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, della School of Materials Science and Engineering della Georgia Tech e dello Strategic Energy Institute sulla ricerca su un elettrolita noto come litio alluminio germanio fosfato (LAGP). Un componente polimerico noto come poly DOL circonda l'elettrolita LAGP, fornendo una conduttività ionica interna che va ben oltre gli elettroliti ceramici esistenti, senza gli svantaggi dei liquidi infiammabili. Il team di fabbricazione e la collaborazione accademica sono guidati da Jinho Park, uno scienziato ricercatore del GTRI. La sintesi della ceramica LAGP è guidata da Jason Nadler, uno dei principali ricercatori del GTRI.

Stern descrive i tradizionali elettroliti ceramici come simili alle caramelle dure – si pensi agli M&Ms – versati nello spazio tra l’anodo e il catodo della batteria. Le ceramiche dure offrono vantaggi in termini di sicurezza e accumulo di energia, ma sono limitate nella misura in cui entrano in contatto con gli elettrodi per trasferire le cariche ioniche. L'aggiunta del polimero migliora notevolmente il contatto interfacciale tra gli elettrodi e l'elettrolita mantenendo la maggior parte dei vantaggi della ceramica.

"La stabilità elettrochimica, la stabilità termica e la stabilità meccanica saranno le principali differenze tra gli elettroliti liquidi e questi ibridi", ha affermato. "Stiamo davvero prendendo il meglio da entrambi i mondi. Dato che le batterie allo stato solido consentono l'uso di un anodo al litio, il limite massimo di capacità è significativamente più alto, quindi alla fine dovremmo vedere un drammatico aumento della densità di energia rispetto alle batterie convenzionali. Batterie agli ioni di litio basate sugli elettroliti liquidi."

L'elettrolita ibrido ceramica-polimero assomiglia a un disco da hockey, ma sarà più resistente ai danni rispetto a una ceramica pura. "Sarà sicuramente molto più indulgente di una ceramica", ha detto Stern. "Anche se si sviluppano micro-fessure, il polimero fornirà l'impalcatura per garantirne l'integrità, tenendolo insieme strutturalmente."

Le batterie allo stato solido non sono ancora in uso commerciale, ma almeno un produttore di veicoli elettrici prevede di inserirle nei veicoli entro i prossimi anni poiché i produttori di batterie continuano a apportare miglioramenti. Ma la tecnologia è molto meno matura rispetto ai sistemi esistenti a elettrolita liquido e invita a innovazioni come il sistema ibrido su cui stanno lavorando i ricercatori della Georgia Tech.

La ricerca è supportata, in parte, da un impegno triennale di ricerca e sviluppo indipendente di 1,1 milioni di dollari da parte del GTRI. "Con gli investimenti federali e statali senza precedenti effettuati in Georgia per i veicoli elettrici, la produzione di batterie e il riciclaggio, GTRI continua a costruire forti collaborazioni per aiutare a identificare le lacune e nuovi modelli di business e per prevedere il numero e i tipi di impianti di riciclaggio necessari per rispondere a future richieste del mercato", ha aggiunto Stern.