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Batterie agli ioni di litio più sicure e stabili grazie ad un elettrolita acquoso

Ricaricabili, elevata capacit di stoccaggio di energia e bassa dispersione di carica quando non in uso: le batterie agli ioni di litio hanno portato un contributo importante al mondo dell'elettronica permettendo
a tutti noi di apprezzarne i benefici nella vita di tutti i giorni. Si tratta per di accumulatori ancora circondati da un alone di diffidenza, specialmente per questioni di sicurezza e affidabilit. Le preoccupazioni in tal senso sono concentrate sugli elettroliti che vengono impiegati in questo tipo di batterie, che sono spesso altamente infiammabili, reattivi con altri componenti usati nelle batterie (gli elettrodi, ad esempio) e costituiti da materiali con un certo grado di tossicit (come i sali di litio). La conseguenza la limitazione della gamma di applicazioni possibili e l'adozione di fasi e processi costosi durante la produzione delle batterie. In uno studio pubblicato su Science si cerca di dare una risposta al problema con l'impiego di un elettrolita acquoso. In passato l'uso di questo tipo di elettroliti stato limitato, dal momento che presentano una finestra di stabilit elettrochimica - ovvero la gamma di differenza di potenziale in cui i materiali della batteria non si ossidano e non si riducono - piuttosto stretta. Questo causa la degradazione della struttura degli elettrodi per via dello sviluppo di idrogeno all'anodo. Quando viene impiegato un elettrolita non acquoso entrambi gli elettrodi sono omogeneamente funzionali su una finestra pi ampia e questo consegue alla formazione di uno strato di elettrolita solido sulla superficie dell'elettrodo, che costituisce una barriera che permette il movimento degli ioni e previene invece il movimento di elettroni. Questa interfase si forma quando una parte dell'elettrolita si decompone nella fase iniziale della carica. Lo strato non si forma in un elettrolita acquoso poich la decomposizione dell'acqua ha come risultato la formazione di molecole H2, O2 o OH-, nessuno dei quali si deposita sulla superficie dell'elettrodo. La mancanza di una interfaccia solido-elettrolita limita la tensione e la densit di energia nelle batterie agli ioni di litio con elettrolita acquoso, rispettivamente inferiori a 1,5V e a 70Wh/kg. Nello studio su Science viene descritto un modo per controllare la decomposizione dell'elettrolita acquoso per formare un'interfaccia solido-elettrolita. Per poter ottenere questo risultato necessario trovare un sale di litio dall'elevata solubilit e stabilit in acqua e, ancor pi importante, capace di accogliere elettroni ad uno specifico potenziale per poter dar luogo ad una reazione in grado di produrre un prodotto solido insolubile in acqua. Pochi sali di litio hanno questi requisiti e i ricercatori si sono concentrati sul LiTFSI (Litio b I ricercatori hanno creato una soluzione di LiTFSI ad elevata concentrazione (con molarit superiore a 20): in altre parole numericamente gli ioni Li+ superano le molecole d'acqua. Questa soluzione di "acqua in sale" mostra un comportamento inusuale proprio in virt della quantit considerevolmente elevata degli ioni. Le interazioni tra gli ioni Li+ sono infatti pi comuni rispetto alle normali interazioni acqua-ione che si trovano nelle soluzioni saline. Grazie all'incremento delle interazioni, gli ioni Li+ sono capaci di formare una densa interfase che circonda l'anodo dove possono guadagnare elettroni. Grazie a questa interfaccia la stabilit elettrochimica cresce a circa 3 Volt. L'analisi termica di soluzoni a 20 e 21 moli da temperatura ambiente a -90C hanno mostrato che le soluzioni sono ancora considerabili come veri liquidi, cio le molecole che le compongono non mostrano alcun ordinamento specifico. A temperatura ambiente la conduttivit della soluzione a 21 moli comparabile a quella di un elettrolita non acquoso impiegato nelle batterie agli ioni di litio comunemente in commercio. I ricercatori hanno inoltre osservato che l'incremento della concentrazione di LiTFSI porta all'allargamento della finestra di stabilit elettrochimica. Elevate concentrazioni di LiTFSI riducono infatti l'attivit dell'acqua, modulano il potenziale di ossidoriduzione e sopprimono la decomposizione dell'acqua grazie alla formazione di un'intefaccia solido-elettrolita. Tramite varie tecniche di analitica, i ricercatori sono riusciti a dimostrare l'esistenza di un'interfase nell'elettrolita acquoso. L'analisi ha permesso al team di sviluppare una comprensione della "guaina" di ioni Li+ e del suo ruolo nella chimica dell'interfase. In una soluzione a concentrazione inferiore alle 5 moli l'acqua presente in quantit abbondanti ed capace di formare una guaina attorno agli ioni Li+ e TFSI-, ciascuno circondati da quattro molecole d'acqua. Aumentando la concentrazione del sale si arriva ad un punto, superiore alle 10 moli, dove l'acqua non presente in quantit sufficiente per creare questa guaina. Con una soluzione a 21 moli la concentrazione di sale ben oltre a questo punto e nella soluzione vi sono 2,6 molecole d'acqua per ciascun ione Li+. In questa situazione l'acqua non in grado di neutralizzare il campo elettrostatico creato dalla carica positiva degli ioni di litio. L'eccesso di carica positiva attrae quindi gli ioni TFSI negativi che penetrano nella guaina parziale e interagiscono con gli ioni Li+. Questa interazione porta ad una riduzione degli ioni TFSI- all'anodo che rilasciano fluoro andando a formare fluoruro di litio. La mancanza di molecole libere d'acqua va a ridurre l'attivit elettrochimica andando a migliorare i limiti di stabilit di entrambi gli elettrodi. I ricercatori hanno costruito una cella agli ioni di litio con elettrodi di ossido di litio-manganese (LiMn2O4) al catodo e di solfuro di molibdeno (Mo6S8) all'anodo. Queste celle hanno mostrato un'eccellente stabilit, un'elevata capacit di ritenzione e un'efficienza di Coulomb del 100%.

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