Il Berkeley Lab e il team della FSU progettano batterie di prossima generazione a livello atomico

Un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e Florida State University ha progettato un nuovo progetto per batterie allo stato solido che dipendono meno da elementi chimici specifici, in particolare dai metalli critici che sono difficili da reperire a causa di problemi nella catena di approvvigionamento. Il loro lavoro, riportato di recente sulla rivista Scienze, potrebbe promuovere batterie allo stato solido efficienti e convenienti.

Presentate per la loro elevata densità di energia e la sicurezza superiore, le batterie allo stato solido potrebbero rappresentare un punto di svolta per l’industria delle auto elettriche. Ma svilupparne uno che sia conveniente e anche sufficientemente conduttivo da alimentare un’auto per centinaia di miglia con una singola carica è stato a lungo un ostacolo impegnativo da superare.

“Con il nostro nuovo approccio alle batterie allo stato solido, non devi rinunciare alla convenienza per le prestazioni”. — Yan Zeng, scienziato dello staff del Berkeley Lab, Divisione di scienze dei materiali

“Il nostro lavoro è il primo a risolvere questo problema progettando un elettrolita solido non con un solo metallo ma con un gruppo di metalli accessibili”, ha affermato il co-primo autore Yan Zeng, uno scienziato della Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab.

In una batteria agli ioni di litio, l'elettrolita funziona come un hub di trasferimento in cui gli ioni di litio si muovono con la carica elettrica per alimentare un dispositivo o ricaricare la batteria.

Come le altre batterie, le batterie allo stato solido immagazzinano energia e poi la rilasciano per alimentare i dispositivi. Ma invece degli elettroliti liquidi o in gel polimerico presenti nelle batterie agli ioni di litio, utilizzano un elettrolita solido.

Il governo, la ricerca e il mondo accademico hanno investito molto nella ricerca e nello sviluppo di batterie allo stato solido perché gli elettroliti liquidi progettati per molte batterie commerciali sono più soggetti a surriscaldamento, incendio e perdita di carica.

Tuttavia, molte delle batterie allo stato solido costruite finora si basano su tipi specifici di metalli costosi e non disponibili in grandi quantità. Alcuni non si trovano affatto negli Stati Uniti.

Per lo studio attuale, Zeng – insieme a Bin Ouyang, assistente professore di chimica e biochimica presso la Florida State University – e autore senior Gerbrand Ceder, uno scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei materiali all'UC Berkeley, ha dimostrato un nuovo tipo di elettrolita solido costituito da una miscela di vari elementi metallici. Zeng e Ouyang hanno sviluppato per primi l'idea di questo lavoro mentre terminavano la loro ricerca post-dottorato al Berkeley Lab e all'UC Berkeley sotto la supervisione di Ceder.

I nuovi materiali potrebbero portare a un elettrolita solido più conduttivo e meno dipendente da una grande quantità di un singolo elemento.

Negli esperimenti presso il Berkeley Lab e l'UC Berkeley, i ricercatori hanno dimostrato il nuovo elettrolita solido sintetizzando e testando diversi materiali agli ioni di litio e agli ioni di sodio con più metalli misti.

Hanno osservato che i nuovi materiali multimetallici hanno funzionato meglio del previsto, mostrando una conduttività ionica diversi ordini di grandezza più veloce rispetto ai materiali monometallici. La conduttività ionica misura la velocità con cui gli ioni di litio si muovono per condurre la carica elettrica.

I ricercatori teorizzano che la miscelazione di molti tipi diversi di metalli crea nuovi percorsi – proprio come l’aggiunta di superstrade su un’autostrada congestionata – attraverso i quali gli ioni di litio possono muoversi rapidamente attraverso l’elettrolita. Senza questi percorsi, il movimento degli ioni di litio sarebbe lento e limitato quando viaggiano attraverso l’elettrolita da un’estremità all’altra della batteria, ha spiegato Zeng.

Per convalidare i candidati per la progettazione multi-metallo, i ricercatori hanno eseguito calcoli teorici avanzati basati su un metodo chiamato teoria del funzionale densità sui supercomputer del Centro Nazionale di Calcolo Scientifico per la Ricerca Energetica (NERSC). Utilizzando microscopi elettronici a trasmissione a scansione (STEM) al Fonderia Molecolare, i ricercatori hanno confermato che ogni elettrolita è costituito da un solo tipo di materiale – quello che gli scienziati chiamano “fase singola” – con distorsioni insolite che danno origine a nuove vie di trasporto degli ioni nella sua struttura cristallina.

La scoperta offre nuove opportunità per progettare conduttori ionici di prossima generazione. Il prossimo passo in questa ricerca sarà applicare il nuovo approccio che Zeng ha sviluppato con Ceder al Berkeley Lab per esplorare ulteriormente e scoprire nuovi materiali elettrolitici solidi che possono migliorare ulteriormente le prestazioni della batteria.

Questo lavoro rappresenta uno dei tanti modi in cui gli esperti del Centro di stoccaggio dell'energia del Berkeley Lab stanno lavorando per consentire la transizione della nazione verso un futuro energetico pulito, conveniente e resiliente.

L'anno scorso, Ouyang ha vinto a Premio NERSC per il calcolo ad alte prestazioni per "aver fatto avanzare la comprensione dell'ordine chimico a corto raggio per la progettazione di una nuova generazione di materiali catodici commercializzati". Il premio riconosce gli scienziati all'inizio della carriera che hanno dato un contributo significativo al calcolo scientifico utilizzando le risorse NERSC.

Altri scienziati che contribuiscono a questo lavoro sono Young-Woon Byeon e Zijian Cai del Berkeley Lab, Jue Liu dell'Oak Ridge National Laboratory e Lincoln Miara e Yan Wang del Samsung Advanced Institute of Technology.

La Fonderia Molecolare e il NERSC sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science presso il Berkeley Lab.

Questa ricerca è stata supportata dal DOE Vehicle Technologies Office.

Per gentile concessione di Lawrence Berkeley National Laboratory.

Ufficio scientifico del DOE è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visitare Energy.gov/science.

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• Fonte: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/