Costi più che dimezzati e una densità energetica quasi doppia rispetto alle batterie attuali. Il che consentirebbe oltre 500 chilometri di autonomia per auto Ev corrispondenti alle attuali utilitarie. Un sogno? No, un progetto che potrebbe concretizzarsi nel giro di qualche anno se verrà sviluppata la ricerca condotta da tre Università europee, tra cui quella di Ferrara.
Ecco i dettagli tecnici ripresi da un articolo appena apparso su una prestigiosa rivista scientifica.
La classica batteria ad alta energia litio-zolfo, già diffusamente realizzata in laboratorio, prevede l’utilizzo di un catodo a base di zolfo e un anodo di litio metallico. Fra i problemi irrisolti che ostacolano la diffusione di questa promettente tecnologia ci sono però la sicurezza e le prestazioni associate al litio metallico. Di conseguenza sono stati ipotizzati vari approcci per ovviare a questi problemi, tra i quali il più promettente appare la sostituzione del litio metallico con anodi alternativi ad alta capacità, come quelli a formazione di lega a base di silicio.
Ora un team di ricercatori italiani guidati da Jousef Hassoun (Università di Ferrara), spagnoli (Università di Cordoba), e tedeschi (Technische Universität Berlin) annuncia di aver realizzato una efficiente batteria agli ioni di litio usando un innovativo catodo composito di zolfo-carbonio sviluppato sulla base di una struttura 3D in grafene (indicato come 3DG-S) e un anodo basato su ossido di silicio (indicato come Li y SiO x C).
Il nuovo catodo (3DG-S) ha mostrato in celle preliminari al litio metallico una capacità che varia da 1200 mAh g −1 ad una corrente di C/10 a 1000 mAh g −1 ad una corrente di 1C. La batteria completa Li y SiO x –C/3DG‐S, in cui il litio metallico viene rimpiazzato dal nuovo anodo (Li y SiO x ), ha una capacità di circa 460 mAh g S −1 ed una tensione media di cella pari a 1.5 V. Questi valori di capacità e tensione di cella permettono di ottenere una densità energetica teorica vicina a 700 Wh per chilo su 200 cicli, contro 150-200 Wh per chilo delle migliori tecnologie già industrializzate.
Queste prestazioni, che possono essere ulteriormente incrementate ottimizzando il bilanciamento delle masse elettrodiche, in aggiunta al ragguardevole livello di sicurezza ottenuto mediante la sostituzione del litio metallico con un anodo a litio-ione, fanno della nuova cella un concreto candidato all’applicazione in accumulatori a basso costo e alte prestazioni. Un report su questo lavoro scientifico è stato pubblicato dalla rivista ChemSusChem .
Nonostante le interessanti caratteristiche delle batterie litio-zolfo in termini di costi, prestazioni, e sostenibilità ambientale, la loro applicazione commerciale è stata limitata dai problemi legati all’anodo di litio metallico. Infatti, l’uso del litio metallico al polo negativo può costituire un rischio per la sicurezza, associato con la possibile creazione di dendriti di litio, corto circuiti e indesiderate emissioni di calore o sviluppo di fiamma. La configurazione litio-ione, invece, può migliorare il ciclo di vita delle celle, le prestazioni, l’affidabilità, nonché il suo grado di sicurezza evitando la formazione di dendiriti di litio e diminuendo la resistenza interfacciale. Infatti, l’anodo al litio-ione è caratterizzato tipicamente da una maggiore stabilità chimica rispetto all’elettrodo di litio metallico. Di conseguenza, stabilità e sicurezza delle celle allo zolfo ad alta energia può essere aumentata sostituendo l’anodo di litio metallico con grafite, carbonio amorfo e materiali in leghe di litio, passando alle più sicure, economiche e altamente efficienti celle litio-ione-zolfo.
Lungo questa direttrice di ricerca questo studio apre la prospettiva di una nuova e promettente batteria formata dalla combinazione di un composito in 3D di grafene e zolfo al catodo e di nanostrutture di silicio-carbonio all’anodo. Questa nuova configurazione delle celle è stata studiata in termini di caratteristiche elettrochimiche in vista di un possibile uso nella produzione di avanzati sistemi di accumulo ad alta energia. Il composito zolfo-carbonio è stato sintetizzato mediante riduzione solvotermale assistita da microonde. L’anodo con leghe di litio e silicio è stato ottenuto con il metodo sol-gel e trattato con litio attraverso trattamento superficiale. Ciascuno dei due elettrodi sintetizzati è stato preliminarmente studiato in cella al litio metallico (semi-celle di test). Successivamente i due elettrodi sono stati combinati nel nuovo prototipo di cella litio-ione zolfo (Li y SiO x –C/3DG‐S).