Bateriile de lungă durată și cu încărcare rapidă sunt esențiale pentru extinderea pieței vehiculelor electrice, dar bateriile litiu-ion actuale nu sunt suficiente pentru a satisface nevoile acestei piețe – sunt prea grele, prea scumpe și durează prea mult timp pentru a se încărca.

Timp de decenii, cercetătorii au încercat să valorifice potențialul bateriilor litiu-metal cu stare solidă, care conțin mult mai multă energie în același volum și se încarcă într-o fracțiune de timp în comparație cu bateriile litiu-ion tradiționale.

“O baterie litiu-metal este considerată Sfântul Graal pentru chimia bateriilor, datorită capacității și densității energetice ridicate”, a declarat Xin Li, profesor asociat de știința materialelor la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS). “Dar stabilitatea acestor baterii a fost întotdeauna slabă”.

Acum, Li și echipa sa au proiectat o baterie stabilă, litiu-metal, cu stare solidă, care poate fi încărcată și descărcată de cel puțin 10.000 de ori – mult mai multe cicluri decât s-a demonstrat anterior – la o densitate mare de curent. Cercetătorii au asociat noul design cu un material comercial de catod cu densitate energetică ridicată.

Această tehnologie a bateriei ar putea crește durata de viață a vehiculelor electrice la cea a mașinilor pe benzină – 10 până la 15 ani – fără a fi necesară înlocuirea bateriei. Datorită densității sale ridicate de curent, bateria ar putea deschide calea pentru vehicule electrice care se pot încărca complet în 10-20 de minute.

Cercetarea este publicată si în revista Nature.

“Cercetările noastre arată că bateria în stare solidă ar putea fi fundamental diferită de bateria litiu-ion cu electrolit lichid din comerț”, a declarat Li. “Prin studierea termodinamicii lor fundamentale, putem debloca performanțe superioare și putem valorifica oportunitățile lor abundente.”

Marea provocare cu bateriile litiu-metal a fost întotdeauna chimia. Bateriile cu litiu deplasează ionii de litiu de la catod la anod în timpul încărcării. Atunci când anodul este realizat din litiu metalic, pe suprafața acestuia se formează structuri sub formă de ace numite dendrite. Aceste structuri cresc ca niște rădăcini în electrolit și străpung bariera care separă anodul de catod, provocând scurtcircuitarea bateriei sau chiar un incendiu.

Pentru a depăși această provocare, Li și echipa sa au proiectat o baterie multistrat care îmbină diferite materiale cu stabilități diferite între anod și catod. Această baterie multistrat și multimaterială previne pătrunderea dendritelor de litiu nu prin oprirea totală a acestora, ci mai degrabă prin controlul și reținerea lor.

Gândiți-vă la baterie ca la un sandwich. Mai întâi vine pâinea – anodul metalic de litiu – urmată de salată – un strat de grafit. Urmează un strat de roșii – primul electrolit – și un strat de șuncă – al doilea electrolit. Se termină cu un alt strat de roșii și ultima bucată de pâine – catodul.

Primul electrolit (denumirea chimică Li5.5PS4.5Cl1.5 sau LPSCI) este mai stabil cu litiu, dar predispus la penetrarea dendritelor. Al doilea electrolit, (Li10Ge1P2S12 sau LGPS) este mai puțin stabil cu litiu, dar pare imun la dendrite. În acest model, dendritele pot să se dezvolte prin grafit și primul electrolit, dar sunt oprite când ajung la cel de-al doilea. Cu alte cuvinte, dendritele cresc prin salată și roșii, dar se opresc la bacon. Bariera de bacon oprește dendritele să treacă prin ea și să scurtcircuiteze bateria.

“Strategia noastră de a încorpora instabilitatea pentru a stabiliza bateria pare contraintuitivă, dar așa cum o ancoră poate ghida și controla un șurub care intră într-un perete, tot așa și designul nostru multistrat poate ghida și controla creșterea dendritelor”, a declarat Luhan Ye, coautor al lucrării și student absolvent la SEAS.

“Diferența este că ancora noastră devine rapid prea strânsă pentru ca dendrita să poată trece prin ea, astfel încât creșterea dendritei este oprită”, a adăugat Li.

De asemenea, bateria se autovindecă; chimia sa îi permite să reumple găurile create de dendrite.

“Această dovadă de concept arată că bateriile litiu-metal solid-state ar putea fi competitive cu bateriile litiu-ion comerciale”, a declarat Li. “Iar flexibilitatea și versatilitatea designului nostru multistrat îl face potențial compatibil cu procedurile de producție în masă din industria bateriilor. Extinderea la scară până la bateria comercială nu va fi ușoară și există încă unele provocări practice, dar credem că acestea vor fi depășite.”