I cristalli liquidi come elettroliti nelle batterie agli ioni di litio consentiranno di creare celle stabili al litio metallico?

Un interessante studio della Carnegie Mellon University. Gli scienziati hanno proposto di utilizzare cristalli liquidi nelle celle agli ioni di litio per aumentarne la densità energetica, la stabilità e la capacità di carica. Il lavoro non è ancora avanzato, quindi aspetteremo almeno cinque anni per il loro completamento, se possibile.

I cristalli liquidi hanno rivoluzionato i display, ora possono aiutare le batterie

Sommario

• I cristalli liquidi hanno rivoluzionato i display, ora possono aiutare le batterie
  • Cristalli liquidi come espediente per ottenere un elettrolita liquido-solido

In breve: i produttori di celle agli ioni di litio stanno attualmente cercando di aumentare la densità energetica delle celle mantenendo o migliorando le prestazioni delle celle, incluso, ad esempio, migliorando la stabilità a potenze di carica più elevate. L'idea è di rendere le batterie più leggere, più sicure e più veloci da ricaricare. Un po' come il triangolo veloce-economico-buono.

Uno dei modi per aumentare significativamente l'energia specifica delle celle (di 1,5-3 volte) è l'uso di anodi in metallo di litio (Li-metal).... Non carbonio o silicio, come prima, ma litio, elemento direttamente responsabile della capacità della cellula. Il problema è che questa disposizione sviluppa rapidamente dendriti di litio, sporgenze metalliche che nel tempo collegano i due elettrodi, danneggiandoli.

Cristalli liquidi come espediente per ottenere un elettrolita liquido-solido

Attualmente sono in corso lavori per confezionare anodi in vari materiali per formare un guscio esterno che consenta il flusso di ioni di litio ma non consenta la crescita di strutture solide. Una potenziale soluzione al problema è anche l'uso di un elettrolita solido, un muro attraverso il quale i dendriti non possono penetrare.

Gli scienziati della Carnegie Mellon University hanno adottato un approccio diverso: vogliono rimanere con elettroliti liquidi comprovati, ma basati su cristalli liquidi. I cristalli liquidi sono strutture a metà tra liquido e cristalli, cioè solidi con una struttura ordinata. I cristalli liquidi sono liquidi, ma le loro molecole sono altamente ordinate (fonte).

A livello molecolare, la struttura di un elettrolita a cristalli liquidi è solo una struttura cristallina e quindi blocca la crescita dei dendriti. Tuttavia, abbiamo ancora a che fare con un liquido, cioè una fase che consente agli ioni di fluire tra gli elettrodi. La crescita dei dendriti è bloccata, i carichi devono fluire.

Questo non è menzionato nello studio, ma i cristalli liquidi hanno un'altra importante caratteristica: una volta applicata loro la tensione, possono essere disposti in un certo ordine (come puoi vedere, ad esempio, osservando queste parole e il confine tra il nero lettere e uno sfondo chiaro). Quindi può succedere che quando la cella inizia a caricarsi, le molecole di cristalli liquidi saranno posizionate con un'angolazione diversa e "raschiano" i depositi dendritici dagli elettrodi.

Visivamente, questo assomiglierà alla chiusura dei lembi, ad esempio, nel foro di ventilazione.

Il rovescio della medaglia della situazione è che La Carnegie Mellon University ha appena iniziato la ricerca su nuovi elettroliti... È già noto che la loro stabilità è inferiore a quella degli elettroliti liquidi convenzionali. La degradazione cellulare avviene più velocemente e questa non è la direzione che ci interessa. Tuttavia, è possibile che nel tempo il problema si risolva. Inoltre, non ci aspettiamo la comparsa di composti allo stato solido prima della seconda metà del decennio:

> LG Chem utilizza solfuri nelle celle a stato solido. Commercializzazione di elettroliti solidi non prima del 2028

Foto introduttiva: i dendriti di litio si formano sull'elettrodo di una microscopica cella agli ioni di litio. La grande figura scura in alto è il secondo elettrodo. La "bolla" iniziale di atomi di litio si alza ad un certo punto, creando un "baffo" che è la base del dendrite emergente (c) PNNL Unplugged / YouTube:

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