Un nou tip de baterie, cu anod din siliciu și electrolit în stare solidă

Cercetătorii au creat un nou tip de baterie care combină două tehnologii promițătoare: bateria conține atât un electrolit în stare solidă, cât și un anod din siliciu. Testele inițiale au demonstrat că noua baterie este sigură, cu utilizare de lungă durată și densă din punct de vedere energetic. Aceste caracteristici sunt promițătoare pentru o gamă largă de aplicații, de la acumulatori mari până la vehiculele electrice.

Inginerii Universității din San Diego (California) au condus cercetarea, în colaborare cu cercetătorii de la LG Energy Solution. 

1) Bateria solidă este formată dintr-un strat compozit catodic, un strat de electrolit solid sulfurat și un anod de micro-siliciu fără carbon.

2) Înainte de încărcare, particulele de siliciu formează anodul. În timpul încărcării bateriei, ionii de litiu pozitivi se deplasează de la catod la anod și se formează o interfață stabilă.

3) Pe măsură ce mai mulți ioni de litiu se deplasează în anod, acesta reacționează pentru a forma particule interconectate din aliaj de litiu-siliciu (Li-Si). Reacția continuă să se propage în electrod.

4) Reacția determină expansiunea și densificarea particulelor de micro-siliciu, formând un electrod dens din aliaj Li-Si. Proprietățile mecanice ale aliajului Li-Si și ale electrolitului solid au un rol esențial în menținerea integrității și a contactului.

Anozii de siliciu sunt renumiți pentru densitatea lor energetică, care este de 10 ori mai mare decât cea  de la un anod de grafit, utilizat cel mai des în bateriile comerciale litiu-ion din prezent. 

Pe de altă parte, un anod din siliciu are dezavantajul că se extinde și se contractă pe măsură ce bateria se încarcă și se descarcă. În plus, se degradează mai puternic din cauza electroliților lichizi. Aceste provocări au ținut anozii cu tot siliciu departe de utilizarea lor în bateriile comerciale litiu-ion, în ciuda densității energetice atrăgătoare. Însă noua cercetare oferă o metodă promițătoare pentru anozii de siliciu, datorită electrolitului potrivit.

„Cu această configurație a bateriei, deschidem o noua poartă pentru bateriile în stare solidă care utilizează anozi din aliaj precum siliciu", au subliniat cercetătorii.

Bateriile cu stare solidă de generație următoare, cu densități mari de energie, s-au bazat întotdeauna pe litiu metalic ca anod. Dar aceasta impune necesitatea unei temperaturi ridicate (de obicei de 60 grade Celsius sau mai mari) în timpul încărcării. Anodul de siliciu depășește aceste limitări, permițând rate de încărcare mult mai rapide la temperaturi scăzute, menținând în același timp densitatea mare de energie. 

Echipa a demonstrat în laborator că o astfel de baterie oferă 500 de cicluri de încărcare și descărcare la temperatura camerei, ceea ce reprezintă un progres interesant pentru anodul de siliciu.

Anozii de siliciu, desigur, nu sunt noi. De zeci de ani, oamenii de știință și producătorii de baterii au privit siliciul ca un material dens energetic, pentru a înlocui complet anozii din grafit, convenționali în bateriile litiu-ion. Teoretic, siliciul oferă aproximativ de zece ori capacitatea de stocare a grafitului. Cu toate acestea, în practică, bateriile litiu-ion cu siliciu la anod suferă de obicei de probleme de performanță în lumea reală. În special, numărul de cicluri în care bateria poate fi încărcată și descărcată, în timp ce își menține performanța, nu este suficient de mare.  

O mare parte a problemei este cauzată de interacțiunea dintre anozii din siliciu și electroliții lichizi cu care au fost asociați. Situația este complicată de expansiunea volumului mare al particulelor de siliciu în timpul încărcării și descărcării. Acest lucru duce la pierderi severe de capacitate în timp. 

Dar echipa condusă de UC San Diego a adoptat o abordare diferită: a eliminat carbonul și lianții care funcționau cu anozi din siliciu. În plus, cercetătorii au folosit micro-siliciu, care este mai puțin procesat și mai puțin costisitor decât nano-siliciul, care este mai des utilizat.

S-a crezut adesea că electroliții solizi pe bază de sulfuri sunt extrem de instabili. Cu toate acestea, acest lucru s-a bazat pe interpretările tradiționale termodinamice utilizate în sistemele de electroliți lichizi, care nu țineau cont de stabilitatea cinetică excelentă a electroliților solizi.

Astfel, în plus față de îndepărtarea întregului carbon și lianți de la anod, echipa a îndepărtat și electrolitul lichid. În schimb, au folosit un electrolit solid pe bază de sulfuri. Experimentele lor au arătat că un astfel de electrolit solid este extrem de stabil în bateriile cu anozi din siliciu. 

Prin înlocuirea electrolitului lichid cu un electrolit solid și, în același timp, îndepărtarea carbonului și a lianților din anodul de siliciu, cercetătorii au evitat o serie de provocări conexe care apar atunci când anozii se îmbibă în electrolitul lichid organic, pe măsură ce bateria funcționează. 

În același timp, prin eliminarea carbonului din anod, echipa a redus semnificativ contactul (și reacțiile secundare nedorite) cu electrolitul solid, evitând pierderea continuă a capacității, care apare de obicei la electroliții pe bază de lichide.

Această le-a permis cercetătorilor să profite pe deplin de avantajele costurilor reduse și a energie dense.

Abordarea utilizării de siliciu în stare solidă depășește multe limitări din bateriile convenționale. Prezintă oportunități interesante de a satisface cerințele pieței pentru energie mai mare, costuri reduse și baterii mai sigure, în special pentru stocarea energiei în rețea. 

Lucrările fundamentale conexe vor continua la UC San Diego, inclusiv colaborarea de cercetare suplimentară cu LG Energy Solution.