Svelato un materiale alogenuro economico, ad alta densità energetica e con un lungo ciclo di vita
| Jerry Huang
Nota dell'editore: Nel campo dell'accumulo di energia, le batterie allo stato solido sono considerate la soluzione migliore per la tecnologia di accumulo di energia di nuova generazione, ma il loro sviluppo è stato a lungo limitato da critici colli di bottiglia nei materiali degli elettrodi. Le tradizionali batterie allo stato solido (ASSB) presentano tipicamente elettrodi composti da materiali attivi, elettroliti solidi e additivi conduttivi. Tuttavia, questi componenti inattivi (che occupano il 40-50% del volume degli elettrodi) non solo riducono la densità energetica, ma inducono anche reazioni interfacciali collaterali e aumentano la tortuosità del trasporto degli ioni di litio. Sebbene i design "All-In-One" (materiali che presentano elevata conduttività e attività elettrochimica) possano risolvere questi problemi, i materiali esistenti come gli ossidi (bassa capacità) e i solfuri (costo elevato) faticano a soddisfare i requisiti dei mercati futuri. Gli alogenuri offrono vantaggi in termini di basso costo ed elevata conduttività ionica, ma soffrono di conduttività elettronica e densità energetica insufficienti. Pertanto, lo sviluppo di materiali "all-in-one" che combinino elevate prestazioni elettrochimiche, scalabilità economica e stabilità meccanica è diventato una sfida critica.
Ecco un esempio eccellente. Un team dell'Università di Western Ontario in Canada fornisce una risposta rivoluzionaria nel suo studio su Nature: hanno progettato il primo materiale alogenuro al mondo, Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, dotato di capacità di autoriparazione dinamica e integrazione tre in uno (catodo/elettrolita/conduttore). Attraverso reazioni redox reversibili Fe²⁺/Fe³⁺ e un esclusivo meccanismo di transizione da fragile a duttile, questo materiale mantiene il 90% della capacità dopo 3.000 cicli, raggiungendo una densità energetica dell'elettrodo di 529,3 Wh kg⁻¹ (scalabile a 725,6 Wh kg⁻¹ con design compositi). Ancora più sorprendente, il suo costo è solo il 26% di quello degli elettrodi convenzionali. La radiazione di sincrotrone, insieme a simulazioni atomiche, ha rivelato per la prima volta un meccanismo di autoriparazione indotto dalla migrazione del ferro! Questo lavoro non solo svela un materiale di base per batterie allo stato solido, ma fornisce anche un esempio paradigmatico per un progetto "tutto in uno" che integra materiali, meccanica ed elettrochimica. Grazie al grande impegno di tutti i ricercatori.
Astratto
Le batterie allo stato solido richiedono catodi progettati in modo avanzato per realizzare il loro potenziale di elevata densità energetica e redditività economica. I catodi integrati all-in-one, che eliminano additivi conduttivi inattivi e interfacce eterogenee, promettono notevoli guadagni in termini di energia e stabilità, ma sono ostacolati da materiali privi di sufficiente conduttività Li+/e−, robustezza meccanica e stabilità strutturale. Qui presentiamo Li1.3Fe1.2Cl4, un materiale alogenuro conveniente che supera queste sfide. Sfruttando la redox reversibile Fe2+/Fe3+ e il rapido trasporto Li+/e− al suo interno, Li1.3Fe1.2Cl4 raggiunge una densità energetica dell'elettrodo di 529,3 Wh kg−1 rispetto a Li+/Li. Fondamentalmente, Li1.3Fe1.2Cl4 mostra proprietà dinamiche uniche durante il ciclo, tra cui la migrazione locale reversibile del Fe e una transizione da fragile a duttile che conferisce un comportamento autoriparante. Ciò consente un'eccezionale stabilità ciclica, mantenendo il 90% di ritenzione della capacità per 3.000 cicli a una velocità di 5 °C. L'integrazione di Li1.3Fe1.2Cl4 con un ossido stratificato ricco di nichel aumenta ulteriormente la densità energetica a 725,6 Wh kg−1. Sfruttando le vantaggiose proprietà dinamiche, meccaniche e di diffusione degli alogenuri "tutto in uno", questo lavoro stabilisce che gli alogenuri "tutto in uno" rappresentano una strada per catodi durevoli e ad alta densità energetica nelle batterie allo stato solido di prossima generazione.
Riferimenti
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1