Ricercatori sudcoreani sviluppano una batteria allo stato solido senza anodo spessa appena 2,77 micrometri

La batteria forma l'anodo durante la carica

Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Energy Materials con il titolo «Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode», si concentra sul controllo della deposizione del litio nelle batterie allo stato solido. In una batteria convenzionale agli ioni di litio, anodo e catodo sono separati e gli ioni di litio si spostano tra i due durante la carica. Il nuovo progetto non prevede uno strato anodico convenzionale al momento della fabbricazione. Durante la prima carica, il litio si sposta dal catodo al collettore di corrente, formando su di esso uno strato di litio metallico.

Questo approccio consente di ridurre le dimensioni della batteria e di aumentare l'energia immagazzinata per unità di volume. Il problema, tuttavia, è la deposizione non uniforme del litio, che può causare una perdita di capacità e cortocircuiti interni.

Stagno e carbonio migliorano la stabilità della batteria

La soluzione dei ricercatori prevede un collettore di corrente in rame al quale è stato aggiunto uno strato intermedio ultrasottile di stagno e carbonio.

Lo stagno favorisce l'avvio della deposizione del litio, mentre il carbonio contribuisce a distribuirlo in modo più uniforme. Questo riduce il rischio che durante la carica si formino strutture irregolari di litio o che parte del litio resti elettricamente isolata e non contribuisca più all'accumulo di energia. I ricercatori hanno inoltre utilizzato la prelitiazione, aggiungendo al sistema una piccola riserva di litio per compensare le perdite irreversibili durante i primi cicli di funzionamento.

Il prototipo combina un catodo all'ossido di litio e vanadio con un elettrolita solido di tipo LiPON. Il catodo ha uno spessore di circa 2 micrometri, mentre l'intera cella misura 2,77 micrometri di spessore.

Dopo 100 cicli di carica e scarica, la cella ha raggiunto una densità energetica volumetrica di 235,13 Wh/l. Le prove sono state condotte a una corrente molto bassa, con un tasso di carica di 0,01 C.

La densità energetica non è ancora sufficiente per i veicoli elettrici

Sebbene il risultato dimostri un nuovo approccio allo sviluppo delle batterie allo stato solido, 235 Wh/l non è un valore eccezionale rispetto agli standard delle batterie per veicoli elettrici oggi in uso.

Le moderne batterie agli ioni di litio possono raggiungere densità energetiche di diverse centinaia di Wh/l a livello di cella. Il prototipo della Dongguk University non può quindi essere considerato un concorrente diretto delle batterie per veicoli elettrici sviluppate da Toyota, CATL o altri grandi produttori di batterie.

Più importante è il principio alla base del progetto. Un'architettura senza anodo potrebbe ridurre l'impiego di materiali e consentire in futuro di realizzare celle più compatte.

Per il prototipo attuale, tuttavia, restano aperte questioni relative alla durata nel lungo periodo, alla carica con correnti elevate, ai costi di produzione e all'adattamento della tecnologia alla produzione di batterie su larga scala.

Il nuovo approccio potrebbe essere particolarmente adatto ai dispositivi elettronici indossabili, ai dispositivi medici e ai piccoli sensori, per i quali le dimensioni della batteria sono spesso più importanti della densità energetica.

Un'importante direzione di ricerca per l'industria europea delle batterie

I produttori europei di batterie e i gruppi automobilistici investono nelle batterie allo stato solido con l'obiettivo di aumentare l'autonomia, migliorare la sicurezza e ridurre la dipendenza dalle batterie convenzionali agli ioni di litio.

Il lavoro della Dongguk University mostra tuttavia che il successo delle batterie allo stato solido non dipende soltanto dai nuovi elettroliti. Il controllo dei processi alle interfacce degli elettrodi è almeno altrettanto importante.

Il vero valore dello studio non risiede nella densità energetica di 235 Wh/l, ma nella possibilità di rendere più stabile una batteria senza anodo. Se i ricercatori riuscissero ad applicare lo stesso principio a celle più grandi e con correnti di carica più elevate, potrebbe contribuire allo sviluppo delle batterie di prossima generazione.

Per ora, la tecnologia resta confinata al laboratorio. Sarebbero necessari ulteriori sviluppi significativi prima che possa essere utilizzata nei veicoli elettrici.