Litio ignifugo

Un elettrolita a base polimerica rende le batterie che continuano a funzionare – e non prendono fuoco – quando riscaldate a oltre 140 gradi F.

Di Chris Patrick

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio alimentano telefoni, computer portatili, altri dispositivi elettronici personali e auto elettriche e vengono persino utilizzate per immagazzinare l’energia generata dai pannelli solari. Ma se la temperatura di queste batterie aumenta troppo, smettono di funzionare e possono prendere fuoco.

Ciò è in parte dovuto al fatto che l'elettrolita al loro interno, che trasporta gli ioni di litio tra i due elettrodi mentre la batteria si carica e si scarica, è infiammabile.

"Una delle maggiori sfide nel settore delle batterie è il problema della sicurezza, quindi sono necessari molti sforzi per cercare di creare un elettrolita della batteria che sia sicuro", ha affermato Rachel Z Huang, una studentessa laureata presso l'Università di Stanford e prima autrice di uno studio. rapporto pubblicato il 30 novembre su Matter.

Huang ha sviluppato un elettrolita non infiammabile per batterie agli ioni di litio con altri 19 ricercatori presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia e l'Università di Stanford. Il loro lavoro ha dimostrato che le batterie contenenti questo elettrolito continuano a funzionare a temperature elevate senza provocare incendi.

Il loro segreto? Più sale.

Gli elettroliti convenzionali delle batterie agli ioni di litio sono costituiti da un sale di litio disciolto in un solvente organico liquido, come etere o carbonato. Sebbene questo solvente migliori le prestazioni della batteria aiutando a spostare gli ioni di litio, è anche un potenziale accendifuoco.

Le batterie generano calore mentre funzionano. E se la batteria presenta fori o difetti, si surriscalderà rapidamente. A temperature superiori a 140 gradi F, le piccole molecole di solvente nell'elettrolito iniziano a evaporare, trasformandosi da liquido a gas e gonfiando una batteria come un palloncino, finché il gas non prende fuoco e il tutto va in fiamme.

Negli ultimi 30 anni i ricercatori hanno sviluppato elettroliti non infiammabili, come gli elettroliti polimerici, che utilizzano una matrice polimerica invece della classica soluzione sale-solvente per spostare gli ioni. Tuttavia, queste alternative più sicure non spostano gli ioni in modo così efficiente come fanno i solventi liquidi, quindi le loro prestazioni non sono all’altezza di quelle degli elettroliti convenzionali.

Il team voleva produrre un elettrolita a base polimerica che potesse offrire sicurezza e prestazioni. E Huang ebbe un'idea.

Ha deciso di aggiungere quanto più possibile un sale di litio chiamato LiFSI a un elettrolita a base di polimeri progettato e sintetizzato da Jian-Cheng Lai, uno studioso post-dottorato presso l'Università di Stanford e co-primo autore dell'articolo.

"Volevo solo vedere quanto potevo aggiungere e testare il limite", ha detto Huang. Di solito, meno del 50% del peso di un elettrolita a base polimerica è costituito da sale. Huang ha aumentato quella cifra al 63%, creando uno degli elettroliti a base di polimeri più salati mai realizzati.

A differenza di altri elettroliti a base polimerica, questo conteneva anche molecole di solvente infiammabili. Tuttavia, l’elettrolita complessivo, noto come elettrolita non infiammabile ancorato al solvente (SAFE), si è rivelato non infiammabile alle alte temperature durante i test in una batteria agli ioni di litio.

SAFE funziona perché i solventi e il sale lavorano insieme. Le molecole del solvente aiutano a condurre gli ioni, garantendo prestazioni paragonabili a quelle delle batterie contenenti elettroliti convenzionali. Ma, invece di guastarsi alle alte temperature come la maggior parte delle batterie agli ioni di litio, le batterie contenenti SAFE continuano a funzionare a temperature comprese tra 77 e 212 gradi F.

Nel frattempo, gli abbondanti sali aggiunti fungono da ancoraggi per le molecole del solvente, impedendo loro di evaporare e prendere fuoco.

"Questa nuova scoperta indica un nuovo modo di pensare alla progettazione di elettroliti a base polimerica", ha affermato Zhenan Bao, professore alla Stanford University e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) che fornisce consulenza a Huang. "Questo elettrolita è importante per lo sviluppo di batterie future che siano sicure e ad alta densità di energia."