Nuovo metodo per batterie solide stabili e durevoli

Con un processo di produzione innovativo per la batteria del futuro: i ricercatori PSI mostrano in uno studio recente come le batterie a stato solido possano essere prodotte in modo economico, efficiente e durevole. L'immagine mostra una cella di prova, in cui viene realizzata e testata la batteria a stato solido sviluppata presso il PSI. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Un processo di produzione innovativo apre la strada alla batteria del futuro: nel loro ultimo studio, i ricercatori PSI dimostrano un metodo economico ed efficiente per produrre batterie a stato solido con una lunga durata. L'immagine mostra una cella di prova utilizzata per fabbricare e testare la batteria a stato solido sviluppata presso il PSI. © Paul Scherrer Institute PSI/Mahir Dzambegovic

Link: Elettrolita solido poroso attraverso il quale i dendriti di litio (grigio) possono penetrare fino alla superficie di litio (argento); l'interfaccia è protetta solo da uno strato di confine naturale (rosa). A destra: Elettrolita solido densamente sinterizzato prodotto presso l'Istituto Paul Scherrer PSI con un rivestimento stabilizzante di fluoruro di litio (blu) che impedisce la penetrazione dei dendriti e protegge la superficie di litio. © Istituto Paul Scherrer PSI/Jinsong Zhang

Jinsong Zhang e Mario El Kazzi (da sinistra a destra) con una cella di prova della batteria a stato solido sviluppata presso il Paul Scherrer Institut PSI. I due ricercatori hanno sviluppato una procedura che combina un sinterizzazione delicata con un rivestimento ultrafine di fluoruro di litio, consentendo così la produzione di elettroliti a stato solido particolarmente stabili. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic / Jinsong Zhang (a sinistra) e Mario El Kazzi con una cella di prova della batteria a stato solido sviluppata presso il Paul Scherrer Institut PSI. I due ricercatori hanno sviluppato un processo che combina una sinterizzazione delicata con un rivestimento ultrafine di fluoruro di litio, consentendo così la produzione di elettroliti a stato solido particolarmente stabili. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno compiuto un passo avanti verso l'applicazione pratica delle batterie solide al litio-metallo – la prossima generazione di accumulatori che immagazzinano più energia, sono più sicure e si ricaricano più rapidamente rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.

Le batterie solide sono considerate una soluzione promettente per la mobilità elettrica, l'elettronica portatile e lo stoccaggio energetico stazionario – tra l'altro perché non richiedono elettroliti liquidi infiammabili e sono quindi fondamentalmente più sicure rispetto alle batterie agli ioni di litio convenzionali.

Tuttavia, due problemi centrali ostacolano la loro maturità commerciale: da un lato, la formazione di dendriti di litio sull'anodo rimane un punto critico – minuscole strutture metalliche a forma di ago che penetrano nell'elettrolita solido conduttore di ioni di litio tra gli elettrodi, si diffondono verso il catodo e alla fine causano cortocircuiti interni. Dall'altro, esiste un'instabilità elettrochimica alla frontiera tra l'anodo di metallo di litio e l'elettrolita solido, che compromette le prestazioni e l'affidabilità a lungo termine della batteria.

Per superare questi due ostacoli, il team di Mario El Kazzi, responsabile del gruppo Materiali e Diagnostica delle Batterie presso l'Istituto Paul Scherrer PSI, ha sviluppato un nuovo metodo di produzione: «Abbiamo combinato due approcci che insieme compattano l'elettrolita e stabilizzano la frontiera con il litio», spiega lo scienziato. I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Advanced Science.

Cos'è una batteria solida?

Gli elettroliti sono componenti centrali nelle batterie ricaricabili, poiché consentono il flusso di ioni tra l'anodo e il catodo. Le batterie solide differiscono dalle batterie agli ioni di litio classiche in quanto utilizzano un elettrolita solido. Questo le rende doppiamente vantaggiose: da un lato, non contengono componenti liquidi infiammabili – il funzionamento è quindi molto più sicuro. Dall'altro, le batterie solide con un sottile strato di metallo di litio come anodo promettono densità di energia più elevate. Ciò potrebbe permettere, ad esempio, alle auto elettriche di raggiungere autonomie significativamente maggiori in futuro.

Il problema con la compattazione

Al centro dello studio PSI c'è il tipo di argirodit Li₆PS₅Cl (LPSCl), un elettrolita solido a base di solfuro composto da litio, fosforo e zolfo. Il minerale presenta un'alta conduttività di ioni di litio, consentendo un rapido trasporto di ioni all'interno della batteria – una condizione essenziale per alte prestazioni e processi di ricarica efficienti. Questo rende gli elettroliti a base di argirodit candidati promettenti per le batterie solide. Tuttavia, finora, la loro implementazione è fallita nel compattare sufficientemente il materiale per evitare la formazione di vuoti in cui i dendriti di litio potrebbero penetrare.

Per compattare l'elettrolita solido, i gruppi di ricerca hanno finora adottato due approcci: o comprimendo il materiale a temperatura ambiente sotto pressione molto elevata, o utilizzando processi di sinterizzazione a caldo, che combinano calore e pressione superiore ai 400 gradi Celsius. Nel processo di sinterizzazione classica, le particelle vengono fuse in una struttura più densa attraverso l'applicazione di calore e pressione.

Entrambi i metodi hanno però portato a effetti indesiderati: la pressatura a temperatura ambiente è insufficiente perché porta a una microstruttura porosa e a una crescita eccessiva dei grani. La lavorazione a temperature molto elevate, invece, comporta il rischio di decomposizione dell'elettrolita solido. Per ottenere un elettrolita robusto e una frontiera stabile, i ricercatori PSI hanno quindi dovuto adottare un nuovo approccio.

Il trucco della temperatura

Per compattare l'argirodit in un elettrolita omogeneo, El Kazzi e il suo team hanno considerato il fattore temperatura, ma in modo più delicato: invece del tradizionale processo di sinterizzazione, hanno scelto un metodo più delicato, in cui il minerale viene compattato sotto pressione moderata e a una temperatura di circa 80 gradi Celsius. Questa sinterizzazione dolce ha avuto successo: il calore moderato e la pressione applicata hanno permesso alle particelle di disporsi come desiderato, senza alterare la stabilità chimica del materiale. Le particelle del minerale hanno formato legami stretti, le zone porose si sono compattate e si sono chiusi piccoli vuoti. Il risultato è una microstruttura compatta e densa, resistente all'infiltrazione di dendriti di litio. In questa forma, l'elettrolita solido è già ottimale per un rapido trasporto di ioni di litio.

La sinterizzazione delicata da sola però non era sufficiente. Per funzionare in modo affidabile anche a alte densità di corrente, come durante ricariche e scariche rapide, la cella a stato solido ha richiesto un'ulteriore modifica. A tal fine, è stato vaporizzato in vuoto uno strato sottile di 65 nanometri di fluoruro di litio (LiF), che è stato applicato uniformemente come film ultrafine sulla superficie di litio – fungendo da strato di passivazione tra l'anodo e l'elettrolita solido.

Questo strato intermedio svolge una doppia funzione: da un lato, impedisce la decomposizione elettrochimica dell'elettrolita solido a contatto con il litio, sopprimendo così la formazione di «litio morto», inattivo. Dall'altro, agisce come barriera fisica che impedisce l'infiltrazione dei dendriti di litio nell'elettrolita solido.

Valori eccellenti dopo 1500 cicli

Nei test di laboratorio con celle a bottone, la batteria ha mostrato prestazioni eccezionali in condizioni impegnative. «La sua stabilità ciclica ad alta tensione è stata notevole», afferma Jinsong Zhang, dottorando e principale autore dello studio. Dopo 1500 cicli di carica e scarica, la cella aveva ancora circa il 75% della capacità originale. Quindi, ancora tre quarti degli ioni di litio si spostavano dalla catodo all'anodo. «Un risultato eccezionale. Questi valori sono tra i migliori mai riportati.» Zhang vede quindi buone possibilità che le batterie solide possano presto superare le tradizionali batterie agli ioni di litio con elettroliti liquidi in termini di densità energetica e durata.

El Kazzi e il suo team dimostrano per la prima volta che la combinazione di una sinterizzazione delicata dell'elettrolita solido e di uno strato di passivazione sottile sull'anodo di litio può efficacemente sopprimere sia la formazione di dendriti che l'instabilità delle frontiere – due delle sfide più ostinate nelle batterie solide. Questa soluzione combinata rappresenta un progresso importante nella ricerca sulle batterie solide – anche perché offre vantaggi ecologici ed economici: grazie alle basse temperature, il processo consuma meno energia e riduce i costi. «Il nostro approccio è una soluzione pratica per la produzione industriale di batterie solide a base di argirodit», afferma El Kazzi. «Ancora qualche aggiustamento e potremo partire.»