Il ruolo della ricottura nel miglioramento delle prestazioni delle batterie al litio a stato solido

Le batterie al litio interamente a stato solido sono diventate la nuova mania nella scienza e nell'ingegneria dei materiali poiché le batterie convenzionali agli ioni di litio non possono più soddisfare gli standard per le tecnologie avanzate, come i veicoli elettrici, che richiedono densità di energia elevate, ricarica rapida e ciclo lungo vite. Le batterie completamente allo stato solido, che utilizzano un elettrolita solido invece di un elettrolita liquido presente nelle batterie tradizionali, non solo soddisfano questi standard, ma sono relativamente più sicure e convenienti in quanto hanno la possibilità di ricaricarsi in breve tempo.

Tuttavia, l'elettrolita solido presenta una sua sfida. Si scopre che l'interfaccia tra l'elettrodo positivo e l'elettrolita solido mostra una grande resistenza elettrica la cui origine non è ben compresa. Inoltre, la resistenza aumenta quando la superficie dell'elettrodo è esposta all'aria, degradando la capacità e le prestazioni della batteria. Sebbene siano stati fatti diversi tentativi per abbassare la resistenza, nessuno è riuscito a ridurla a 10 Ω cm² (ohm centimetro quadrato), il valore di resistenza dell'interfaccia riportato quando non esposto all'aria.

Ora, in un recente studio pubblicato su Materiali e interfacce applicate ACS, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Taro Hitosugi del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Giappone, e Shigeru Kobayashi, uno studente di dottorato al Tokyo Tech, potrebbe aver finalmente risolto questo problema. Stabilendo una strategia per ripristinare la bassa resistenza di interfaccia e svelando il meccanismo alla base di questa riduzione, il team ha fornito preziose informazioni sulla produzione di batterie a stato solido ad alte prestazioni. Lo studio è stato il risultato di una ricerca congiunta di Tokyo Tech, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) e Yamagata University.

Per iniziare, il team ha preparato batterie a film sottile comprendenti un elettrodo negativo al litio, un LiCoO₂ elettrodo positivo e un Li₃PO₄ elettrolita solido. Prima di completare la fabbricazione di una batteria, il team ha esposto il LiCoO₂ superficie all'aria, azoto (N₂), ossigeno (O₂), anidride carbonica (CO₂), idrogeno (H₂) e vapore acqueo (H₂O) per 30 minuti.

Con loro sorpresa, hanno scoperto che l'esposizione a N₂, O₂, CO₂e H₂, non ha degradato le prestazioni della batteria rispetto a una batteria non esposta. “Solo H₂Il vapore di O degrada fortemente il Li₃PO₄ – LiCoO₂ interfaccia e aumenta drasticamente la sua resistenza fino a un valore oltre 10 volte superiore a quello dell'interfaccia non esposta", afferma il prof. Hitosugi.

Successivamente il team ha eseguito un processo chiamato “ricottura”, in cui il campione è stato sottoposto a trattamento termico a 150°C per un'ora in forma di batteria, cioè con l'elettrodo negativo depositato. Sorprendentemente, questo ha ridotto la resistenza fino a 10.3 Ω cm², paragonabile a quello della batteria non esposta!

Eseguendo simulazioni numeriche e misurazioni all'avanguardia, il team ha poi rivelato che la riduzione potrebbe essere attribuita alla rimozione spontanea di protoni dall'interno del LiCoO₂ struttura durante la ricottura.

“Il nostro studio mostra che i protoni nel LiCoO₂ struttura svolgono un ruolo importante nel processo di recupero. Ci auguriamo che la delucidazione di questi processi microscopici interfacciali contribuisca ad ampliare il potenziale applicativo delle batterie a stato solido», conclude il prof. Hitosugi.