I ricercatori cinesi riportano 711,3 Wh/kg Li

In un articolo pubblicato su Chinese Physical Letters, i ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze riferiscono di aver prodotto pratiche batterie al litio ricaricabili del tipo a custodia con una densità di energia gravimetrica di 711,3 Wh⋅kg−1 e una densità di energia volumetrica di 1653,65 Wh⋅L−1. Le attuali batterie pratiche e avanzate agli ioni di litio hanno una densità di energia di circa 300 Wh⋅kg−1.

Lee et al.

Il team ha utilizzato materiali per batterie ad alte prestazioni, tra cui un catodo a base di manganese (LRM) ricco di litio ad alta capacità e un sottile anodo di litio metallico con elevata energia specifica, combinati con la preparazione degli elettrodi ad alto carico e l’iniezione di elettrolita magro.

Progettazione della batteria: (a) l'attuale batteria commerciale agli ioni di litio da 300 Wh·kg−1; (b) l'aumento della densità di energia nelle batterie al litio pratiche aumentando la densità di energia dei materiali degli elettrodi attivi e diminuendo la massa dei materiali ausiliari; (c) la costruzione in serie di una batteria da 700 Wh·kg−1 coinvolta in questo lavoro. Li et al.

Attualmente, la densità energetica delle batterie commerciali avanzate agli ioni di litio ha raggiunto il livello di 300 W·h·kg−1. … A causa di una considerazione globale delle prestazioni ciclistiche, delle prestazioni di velocità, della sicurezza, dell’adattabilità ambientale, ecc., la percentuale di materiali catodici attivi è sempre bassa, al livello del 50%, mentre la percentuale di materiali anodici rappresenta il 18%–25 % e altri materiali ausiliari occupano il 25%–30% della massa totale.

Tralasciando tutti gli altri aspetti, concentrandosi solo sulla densità energetica, approcci come l'adozione di materiali catodici e anodici con energia specifica più elevata, l'aumento della massa di carico dell'elettrodo, la riduzione del rapporto tra la massa dell'elettrolita e la capacità della batteria (E/C) e l'adozione di collettori più leggeri e sottili , separatori, materiali di imballaggio, ecc. sono tutti fattibili per ottenere un elevato valore di densità energetica. Dopo aver analizzato a fondo il progetto della batteria esistente da 300 W·h·kg−1, calcoliamo la dipendenza tra la densità di energia e diversi componenti principali indipendentemente dalla normale funzionalità delle batterie. I risultati mostrano che i materiali del catodo e dell’anodo, la massa di carico e il rapporto E/C sono dominanti nel miglioramento della densità energetica. … Purtroppo la sostituzione di ogni singolo componente non può garantire alla batteria di raggiungere una densità di energia superiore a 400 W·h·kg-1. La fabbricazione di batterie ad alta densità di energia può essere raggiunta solo grazie alla sinergia dei fattori sopra menzionati.

Il team ha utilizzato un catodo LRM ad alta capacità specifica con un intervallo di tensione ampliato e un anodo metallico al litio da 20μm stabilizzato da un separatore PVDF. La capacità dell'area specifica unilaterale del catodo supera 10 mAh·cm−2 e la densità compatta è maggiore di 2,6 g·cm−3. Gli attuali collettori sono realizzati con un foglio ultrasottile di Al (9 μm) e Cu (6 μm) e il rapporto E/C è 1,3 g·A−1 ·h−1.

Nell'intervallo di tensione di carica-scarica di routine di 2–4,8 V, la batteria piena da 9,72 Ah mostra una densità di energia gravimetrica di 601,78 Wh·kg−1 e una densità di energia volumetrica di oltre 1175,56 Wh·L−1 [Fig. 4(a)] e la capacità di scarica della batteria non presenta un evidente calo dopo 3 cicli.

Estendendo ulteriormente l'intervallo di tensione operativa a 1,25–4,8 V, l'energia contenuta nell'intervallo di bassa tensione supporta la densità di energia gravimetrica fino a 701,06 Wh·kg−1 e la densità di energia volumetrica a 1621,84 Wh·L−1. Nonostante una piccola riduzione di capacità nel secondo ciclo, la capacità della batteria mostra un'elevata ritenzione del 78,2% nel terzo ciclo. La densità di energia è 711,3 Wh·kg−1 e 1653,65 Wh·L−1 secondo un rapporto di test di terze parti su batterie parallele. La variazione di volume della cella iniziale è solo del 5,09% dopo il primo ciclo.

… dovremmo notare che c’è sempre un contraddittorio tra densità di energia, prestazioni di ciclismo, prestazioni di velocità e sicurezza nelle batterie al litio. Pertanto, tali parametri devono ancora essere considerati in modo completo per soddisfare la domanda futura di settori specifici.

Risorse

Quan Li et al. (2023) "Una batteria al litio ricaricabile del tipo a custodia da 700 Wh kg−1" Phys. cinese. Lett. doi: 10.1088/0256-307X/40/4/048201