L'Argonne National Lab crea il litio

Oct 17, 2023

I ricercatori dell’Argonne National Lab ritengono di poter avere una soluzione per le batterie agli ioni di litio che funzionano male al freddo.

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Le persone che vivono in climi freddi e guidano auto elettriche sanno che le batterie agli ioni di litio della loro auto non funzionano altrettanto bene a temperature gelide. Non si caricano così velocemente e non arrivano così lontano. È un problema, ma l'Argonne National Laboratory afferma che potrebbe avere la risposta.

In un post sul blog, gli scienziati dell'Argonne affermano che nelle odierne batterie agli ioni di litio, l'elettrolita liquido che funge da percorso per gli ioni che viaggiano tra il catodo e l'anodo mentre la batteria si carica e si scarica inizia a congelare a temperature inferiori allo zero. . Questa condizione limita fortemente l’efficacia della ricarica dei veicoli elettrici nelle regioni e nelle stagioni fredde.

Un team di scienziati dei laboratori nazionali Argonne e Lawrence Berkeley ha collaborato per sviluppare un elettrolita fluorurato che funziona bene anche a temperature inferiori allo zero. "La nostra ricerca ha quindi dimostrato come adattare la struttura atomica dei solventi elettrolitici per progettare nuovi elettroliti per temperature inferiori allo zero", afferma John Zhang, che guida il gruppo di ricerca presso l'Argonne National Lab.

"Il nostro team non solo ha trovato un elettrolita antigelo le cui prestazioni di carica non diminuiscono a meno 4 gradi Fahrenheit, ma abbiamo anche scoperto, a livello atomico, cosa lo rende così efficace", ha affermato Zhang, chimico senior e leader del gruppo in Divisione di scienze chimiche e ingegneria di Argonne. Questo elettrolita a bassa temperatura si dimostra promettente nel funzionamento delle batterie dei veicoli elettrici, nonché nello stoccaggio di energia per le reti elettriche e l’elettronica di consumo come computer e telefoni.

Non è necessario sapere come funziona una batteria per guidare un'auto elettrica, così come non è necessario sapere come funziona un motore a quattro tempi per guidare un'auto convenzionale. La maggior parte di noi probabilmente ha poco più che una conoscenza rudimentale di come funzionano le batterie agli ioni di litio. Argonne Lab spiega che l’elettrolita utilizzato oggi nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio è una miscela di un sale ampiamente disponibile – l’esafluorofosfato di litio – e solventi carbonati come il carbonato di etilene. I solventi sciolgono il sale per formare un liquido.

Quando una batteria viene caricata, l'elettrolita liquido trasporta gli ioni di litio dal catodo, che in genere è un ossido che contiene litio, all'anodo, che solitamente è costituito da grafite. Questi ioni migrano fuori dal catodo, quindi passano attraverso l'elettrolita nel percorso verso l'anodo. Durante il trasporto attraverso l'elettrolita, si trovano al centro di gruppi di quattro o cinque molecole di solvente.

Durante le prime cariche, questi cluster colpiscono la superficie dell'anodo e formano uno strato protettivo chiamato interfase solido-elettrolita. Una volta formato, questo strato agisce come un filtro. Consente solo agli ioni di litio di passare attraverso lo strato bloccando le molecole di solvente. Questo è ciò che consente all'anodo di immagazzinare atomi di litio nella struttura della grafite quando la batteria è carica. Durante la fase di scarica, le reazioni elettrochimiche rilasciano elettroni dal litio per generare elettricità che viene poi utilizzata per alimentare i veicoli elettrici.

Quando la temperatura scende, l'elettrolita con solventi carbonatici inizia a congelare. Ciò a sua volta gli fa perdere la capacità di trasportare gli ioni di litio all’anodo durante la carica perché gli ioni di litio sono strettamente legati all’interno dei cluster di solventi. Pertanto questi ioni richiedono un'energia molto più elevata per evacuare i loro cluster e penetrare nello strato di interfaccia rispetto a quella che richiedono a temperatura ambiente. Gli scienziati credevano che la soluzione alle scarse prestazioni in climi freddi fosse trovare un solvente migliore che non congelasse.

Il team ha studiato diversi solventi infusi con fluoro ed è stato in grado di identificare quello che aveva la barriera energetica più bassa per il rilascio di ioni di litio dai cluster a temperatura inferiore allo zero. Hanno anche determinato su scala atomica il motivo per cui quella particolare composizione funzionava così bene: dipendeva dalla posizione degli atomi di fluoro all’interno di ciascuna molecola di solvente e dal loro numero.