Quali materiali sono presenti in una batteria agli ioni di litio?

Materiali catodici

I materiali catodici all'avanguardia includono ossidi di litio-metallo [come LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ e Li(NixMnyCoz)O ₂ ], ossidi di vanadio, olivine (come LiFePO ₄ ) e ossidi di litio ricaricabili. ^11,12 Gli ossidi stratificati contenenti cobalto e nichel sono i materiali più studiati per le batterie agli ioni di litio. Mostrano un’elevata stabilità nell’intervallo dell’alta tensione, ma il cobalto ha una disponibilità limitata in natura ed è tossico, il che rappresenta un enorme svantaggio per la produzione di massa. Il manganese offre una sostituzione a basso costo con un'elevata soglia termica ed eccellenti capacità di velocità ma un comportamento ciclico limitato. Pertanto, vengono spesso utilizzate miscele di cobalto, nichel e manganese per combinare le migliori proprietà e ridurre al minimo gli inconvenienti. Gli ossidi di vanadio hanno una grande capacità e un'eccellente cinetica. Tuttavia, a causa dell’inserimento ed estrazione del litio, il materiale tende a diventare amorfo, il che limita il comportamento ciclico. Le olivine non sono tossiche e hanno una capacità moderata con un basso sbiadimento dovuto al ciclismo, ma la loro conduttività è bassa. Sono stati introdotti metodi di rivestimento del materiale che compensano la scarsa conduttività, ma aggiungono alcuni costi di lavorazione alla batteria.

Materiali anodici

I materiali anodici sono litio, grafite, materiali in lega di litio, intermetallici o silicio. ¹¹ Il litio sembra essere il materiale più semplice, ma mostra problemi con il comportamento ciclico e la crescita dendritica, che crea cortocircuiti. Gli anodi carboniosi sono il materiale anodico più utilizzato grazie al loro basso costo e disponibilità. Tuttavia, la capacità teorica (372 mAh/g) è scarsa rispetto alla densità di carica del litio (3.862 mAh/g). Alcuni sforzi con nuove varietà di grafite e nanotubi di carbonio hanno cercato di aumentare la capacità, ma hanno comportato elevati costi di lavorazione. Gli anodi in lega e i composti intermetallici hanno capacità elevate ma mostrano anche un drastico cambiamento di volume, con conseguente scarso comportamento ciclico. Sono stati compiuti sforzi per superare la variazione di volume utilizzando materiali nanocristallini e avendo la fase di lega (con Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn e altri) in una matrice di stabilizzazione non legante (con Co, Cu, Fe o Ni). Il silicio ha una capacità estremamente elevata di 4.199 mAh/g, corrispondente ad una composizione di Si ₅ Li ₂₂ . Tuttavia, il comportamento ciclistico è scarso e il declino della capacità non è ancora stato compreso.

Elettroliti

Una batteria sicura e di lunga durata necessita di un elettrolita robusto in grado di resistere alla tensione esistente e alle alte temperature e che abbia una lunga durata e offra allo stesso tempo un'elevata mobilità per gli ioni di litio. I tipi includono elettroliti liquidi, polimerici e allo stato solido. ¹¹ Gli elettroliti liquidi sono per lo più elettroliti organici a base di solvente contenenti LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], o simili. La considerazione più importante è la loro infiammabilità; i solventi più performanti hanno punti di ebollizione bassi e hanno punti di infiammabilità intorno ai 30°C. Pertanto lo sfiato o l'esplosione della cella e successivamente della batteria rappresentano un pericolo. La decomposizione dell’elettrolita e le reazioni collaterali altamente esotermiche nelle batterie agli ioni di litio possono creare un effetto noto come “fuga termica”. Pertanto, la selezione di un elettrolita comporta spesso un compromesso tra infiammabilità e prestazioni elettrochimiche.

Separatori

Una buona rassegna dei materiali e delle esigenze dei separatori è fornita da P. Arora e Z. Zhang. ¹⁴ Come suggerisce il nome, il separatore della batteria separa fisicamente i due elettrodi l'uno dall'altro, evitando così un cortocircuito. Nel caso di un elettrolita liquido, il separatore è un materiale espanso imbevuto di elettrolita e che lo mantiene in posizione. Deve essere un isolante elettronico pur avendo una resistenza minima all'elettrolita, la massima stabilità meccanica e resistenza chimica alla degradazione nell'ambiente altamente elettrochimicamente attivo. Inoltre, il separatore è spesso dotato di una funzione di sicurezza, chiamata “arresto termico”; a temperature elevate, scioglie o chiude i pori per interrompere il trasporto degli ioni di litio senza perdere la stabilità meccanica. I separatori vengono sintetizzati in fogli e assemblati con gli elettrodi oppure depositati su un elettrodo in situ. Dal punto di vista dei costi, quest'ultimo è il metodo preferibile ma pone alcuni altri problemi di sintesi, gestione e meccanica. Gli elettroliti allo stato solido e alcuni elettroliti polimerici non necessitano di separatore.

I separatori sono dotati di meccanismi di arresto termico integrati e ai moduli e ai pacchi batteria vengono aggiunti ulteriori sofisticati sistemi di gestione termica esterni. I liquidi ionici sono allo studio per la loro stabilità termica ma presentano grossi inconvenienti, come la dissoluzione del litio dall'anodo.

Gli elettroliti polimerici sono polimeri ionicamente conduttivi. Sono spesso mescolati in compositi con nanoparticelle ceramiche, con conseguente conduttività più elevata e resistenza a tensioni più elevate. Inoltre, a causa della loro elevata viscosità e del comportamento quasi solido, gli elettroliti polimerici potrebbero inibire la crescita dei dendriti di litio ¹³ e potrebbe quindi essere utilizzato con anodi di litio metallico.

Gli elettroliti solidi sono cristalli conduttivi agli ioni di litio e vetri ceramici. Mostrano prestazioni molto scarse alle basse temperature perché la mobilità del litio nel solido è notevolmente ridotta alle basse temperature. Inoltre, gli elettroliti solidi necessitano di condizioni di deposizione e trattamenti termici speciali per ottenere un comportamento accettabile, il che li rende estremamente costosi da utilizzare, sebbene eliminino la necessità di separatori e il rischio di instabilità termica.

Insomma, materiali delle batterie agli ioni di litio svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni e nell’efficienza complessive di batterie agli ioni di litio . I continui sforzi di ricerca e sviluppo continuano a esplorare nuovi materiali e tecnologie per migliorare ulteriormente le prestazioni e la sostenibilità delle batterie agli ioni di litio.