Indipendentemente dalle prestazioni, dai costi o dalle considerazioni sulla sicurezza, le batterie ricaricabili allo stato solido sono la scelta migliore per sostituire l’energia fossile ed eventualmente realizzare la strada verso i veicoli a nuova energia.
In qualità di inventore di materiali catodici come LiCoO2, LiMn2O4 e LiFePO4, Goodenough è ben noto nel campo deibatterie agli ioni di litioed è veramente il "padre delle batterie agli ioni di litio".
In un recente articolo su NatureElectronics, John B. Goodenough, 96 anni, ripercorre la storia dell'invenzione della batteria ricaricabile agli ioni di litio e mostra la via da seguire.
Negli anni ’70 negli Stati Uniti scoppiò una crisi petrolifera. Rendendosi conto della sua eccessiva dipendenza dalle importazioni di petrolio, il governo ha avviato un grande sforzo per sviluppare l’energia solare ed eolica. A causa della natura intermittente dell’energia solare ed eolica,batterie ricaricabilialla fine furono necessari per immagazzinare queste fonti di energia rinnovabile e pulita.
La chiave per una carica e una scarica reversibili è la reversibilità della reazione chimica!
A quel tempo, la maggior parte delle batterie non ricaricabili utilizzava elettrodi negativi al litio ed elettroliti organici. Per ottenere batterie ricaricabili, tutti hanno iniziato a lavorare sull’inclusione reversibile degli ioni di litio nei catodi stratificati di solfuro di metalli di transizione. Stanley Whittingham della ExxonMobil ha scoperto che la carica e la scarica reversibili potrebbero essere ottenute mediante chimica di intercalazione utilizzando TiS2 stratificato come materiale catodico, con il prodotto di scarica LiTiS2.
Questa cella, sviluppata da Whittingham nel 1976, raggiunse una buona efficienza iniziale. Tuttavia, dopo diverse ripetizioni di carica e scarica, all'interno della cella si formavano dendriti di litio, che crescevano dall'elettrodo negativo a quello positivo, creando un cortocircuito che poteva accendere l'elettrolita. Anche questo tentativo si è concluso con un fallimento!
Nel frattempo, Goodenough, trasferitosi a Oxford, stava studiando la quantità massima di litio che poteva essere staccata dai materiali catodici stratificati di LiCoO2 e LiNiO2 prima che la struttura cambiasse. Alla fine, hanno ottenuto il de-incorporamento reversibile di oltre la metà del litio dal materiale del catodo.
Questa ricerca alla fine ha guidato Akira Yoshino di AsahiKasei a preparare il primobatteria ricaricabile agli ioni di litio: LiCoO2 come elettrodo positivo e carbonio grafitico come elettrodo negativo. Questa batteria è stata utilizzata con successo nei primi telefoni cellulari Sony.
Al fine di ridurre i costi e migliorare la sicurezza. La batteria ricaricabile completamente solida con elettrolita solido sembra essere una direzione importante per lo sviluppo futuro.
Già negli anni ’60 i chimici europei lavoravano all’incorporamento reversibile degli ioni di litio in materiali stratificati di solfuro di metalli di transizione. A quel tempo, gli elettroliti standard per le batterie ricaricabili erano principalmente elettroliti acquosi acidi e alcalini forti come H2SO4 o KOH. Perché in questi elettroliti acquosi gli H+ hanno una buona diffusività.
A quel tempo, le batterie ricaricabili più stabili erano realizzate con NiOOH stratificato come materiale catodico e un elettrolita acquoso alcalino forte come elettrolita. h+ potrebbe essere incorporato in modo reversibile nel catodo stratificato di NiOOH per formare Ni(OH)2. il problema era che l'elettrolita acquoso limitava la tensione della batteria, determinando una bassa densità di energia.
Nel 1967, Joseph Kummer e NeillWeber della Ford Motor Company scoprirono che il Na+ ha buone proprietà di diffusione negli elettroliti ceramici al di sopra dei 300°C. Hanno quindi inventato una batteria ricaricabile Na-S: sodio fuso come elettrodo negativo e bande di carbonio contenenti zolfo fuso come elettrodo positivo. Di conseguenza, hanno inventato una batteria ricaricabile Na-S: sodio fuso come elettrodo negativo, zolfo fuso contenente una banda di carbonio come elettrodo positivo e una ceramica solida come elettrolita. Tuttavia, la temperatura operativa di 300°C ha condannato questa batteria ad essere impossibile da commercializzare.
Nel 1986, Goodenough realizzò una batteria al litio ricaricabile interamente allo stato solido senza generazione di dendriti utilizzando NASICON. Attualmente sono state commercializzate batterie ricaricabili al litio e al sodio completamente allo stato solido basate su elettroliti allo stato solido come NASICON.
Nel 2015, MariaHelena Braga dell’Università di Porto ha anche dimostrato un elettrolita solido isolante di ossido poroso con conduttività degli ioni di litio e sodio paragonabile agli elettroliti organici attualmente utilizzati nelle batterie agli ioni di litio.
In breve, indipendentemente dalle prestazioni, dai costi o dalle considerazioni sulla sicurezza, le batterie ricaricabili allo stato solido sono la scelta migliore per sostituire l’energia fossile e finalmente realizzare la strada verso i veicoli a nuova energia!
Orario di pubblicazione: 25 agosto 2022