In che modo il materiale dell'elettrodo della batteria influisce sulle prestazioni e sulla durata

Dialogo del 15 agosto 2023

Questo articolo è stato rivisto in base al processo editoriale e alle politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo al tempo stesso la credibilità del contenuto:

verificato

pubblicazione sottoposta a revisione paritaria

fonte attendibile

scritto dai ricercatori

correggere le bozze

di Dmitrii A. Rakov, Tech Xplore

Le batterie sono dispositivi che immagazzinano e rilasciano energia spostando particelle cariche chiamate ioni tra due materiali chiamati elettrodi. Gli elettrodi sono separati da un liquido o gel chiamato elettrolita, che contiene ioni e altre molecole. Quando viene utilizzata una batteria, sulla superficie di ciascun elettrodo si forma un sottile strato di molecole, chiamato interfase elettrolita solido (SEI).

Le batterie agli ioni di litio (LIB) e le batterie agli ioni di sodio (SIB) soffrono di una carente reversibilità dei processi redox all'interfaccia elettrodo/elettrolita, che è associata alla formazione di SEI meccanicamente instabili e reattivi. I SEI ricchi inorganici stabili possono isolare il trasferimento di elettroni, consentendo solo a determinati ioni di diffondersi, supportando quindi il ciclo reversibile oltre il limite elettrochimico dell'elettrolita.

Mentre le celle elettrochimiche che utilizzano elettroliti di sali fusi inorganici a temperature elevate (> 100°C) mostrano prestazioni cicliche stabili, le applicazioni quotidiane si basano su elettroliti di batterie comprendenti sia sali metallici che solventi organici. Questa miscela innesca reazioni competitive sull'interfaccia carica, causando un consumo continuo di elettrolita e una deposizione irregolare di metallo, ovvero la formazione di dendriti nel caso di elettrodi metallici, con conseguente guasto della batteria e talvolta problemi di sicurezza.

Uno dei modi più praticamente scalabili per ottimizzare la chimica e la morfologia del SEI per il trasporto di carica reversibile è la co-selezione della chimica dell'elettrolita e del protocollo di formazione (ovvero, condizioni di ciclo iniziali, con specifiche condizioni di corrente/tensione). Allo stesso tempo, il significato del materiale dell’elettrodo in questa progressione è stato notevolmente sottostimato, nonostante la sua influenza intrinseca sulle fasi preliminari della formazione del SEI.

Per colmare questo vuoto di informazioni, i ricercatori delle università Deakin e Monash (Melbourne, Australia) hanno esaminato gli effetti delle proprietà fisico-chimiche dell'elettrodo sul meccanismo di formazione del SEI con liquidi ionici ed elettroliti di sodio a base di carbonato. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science.

Utilizzando una combinazione di strumenti sperimentali e teorici, abbiamo dimostrato che la struttura dell'interfaccia elettrolita-elettrodo e le proprietà dell'interfase solido-elettrolita sono sostanzialmente influenzate dalla polarizzabilità dell'elettrodo (la sua natura dielettrica), e abbiamo spiegato questi fenomeni in il contesto della capacità degli elettrodi carichi di adsorbire specie elettrolitiche (vedere la figura sopra).