Si prevede che la gomma sostituirà i materiali tradizionali per diventare il materiale chiave per la prossima generazione di batterie allo stato solido

Affinché i veicoli elettrici (EV) diventino mainstream, hanno bisogno di batterie convenienti, più sicure e di maggiore durata che non esplodano o danneggino l'ambiente durante l'uso. I ricercatori del Georgia Institute of Technology potrebbero aver trovato un'alternativa promettente alle tradizionali batterie agli ioni di litio:gomma.

Gli elastomeri, o gomma sintetica, sono ampiamente utilizzati nei prodotti di consumo e nelle tecnologie avanzate come l'elettronica indossabile e i robot morbidi grazie alle loro proprietà meccaniche superiori. I ricercatori hanno scoperto che quando il materiale è formulato in una struttura 3D, funge da superstrada per il trasporto veloce degli ioni di litio, con una robustezza meccanica superiore che consente alle batterie di caricarsi più a lungo e andare più lontano. La ricerca è stata condotta in collaborazione con il Korea Advanced Institute of Science and Technology ed è pubblicata sulla rivista Nature.

In una batteria agli ioni di litio convenzionale, gli ioni vengono spostati da un elettrolita liquido. Tuttavia, tali batterie sono intrinsecamente instabili: anche il minimo danno può fuoriuscire negli elettroliti, provocando un'esplosione o un incendio. I problemi di sicurezza hanno costretto l'industria a concentrarsi sulle batterie allo stato solido, che possono essere realizzate utilizzando materiali ceramici inorganici o polimeri organici.
"La maggior parte delle industrie si concentra sulla costruzione di elettroliti solidi inorganici. Ma sono difficili da produrre, costosi e non rispettosi dell'ambiente", afferma Seung Woo Lee, professore associato presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering che faceva parte di un gruppo di ricerca che ha trovato un polimero organico a base di gomma superiore ad altri materiali. Gli elettroliti polimerici solidi continuano ad attirare grande interesse a causa del loro basso costo di produzione, delle proprietà non tossiche e morbide. Tuttavia, gli elettroliti polimerici convenzionali non hanno conduttività ionica e stabilità meccanica sufficienti per garantire un funzionamento affidabile delle batterie allo stato solido.
Il nuovo design 3D porta un balzo in avanti nella densità di energia e nelle prestazioni
Ingegneri della Georgia Tech utilizzatigommaelettroliti per risolvere problemi comuni (trasporto lento degli ioni di litio e scarse proprietà meccaniche). La svolta chiave è stata quella di consentire ai materiali di formare fasi cristalline plastiche interconnesse tridimensionali (3D) in una robusta matrice di gomma. Questa struttura unica offre un'elevata conduttività ionica, eccellenti proprietà meccaniche e stabilità elettrochimica.
L'elettrolita di gomma può essere prodotto a basse temperature utilizzando un semplice processo di polimerizzazione che produce un'interfaccia solida e liscia sulla superficie dell'elettrodo. Queste proprietà uniche dell'elettrolita di gomma impediscono la crescita dei dendriti di litio e consentono un movimento più rapido degli ioni, consentendo alle batterie allo stato solido di funzionare in modo affidabile anche a temperatura ambiente.
Gomma, utilizzato ovunque per le sue elevate proprietà meccaniche, ci consentirà di realizzare batterie più economiche, più affidabili e più sicure. Una maggiore conduttività ionica significa che puoi spostare più ioni contemporaneamente e, aumentando l'energia specifica e la densità di energia di queste batterie, puoi aumentare l'autonomia del veicolo elettrico.

I ricercatori stanno ora lavorando su come migliorare le prestazioni della batteria, aumentandone il tempo di ciclo e riducendo il tempo di ricarica attraverso una migliore conduttività ionica. Finora, i loro sforzi hanno portato a due miglioramenti in termini di prestazioni della batteria/tempo di ciclo.

Questo lavoro potrebbe rafforzare la reputazione della Georgia come centro di innovazione per i veicoli elettrici. SK Innovation, un'azienda energetica e petrolchimica globale, sta finanziando ulteriori ricerche sui materiali elettrolitici nell'ambito della sua collaborazione in corso con l'Istituto per costruire batterie a stato solido di prossima generazione più sicure e ad alta intensità energetica rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. SK Innovation ha recentemente annunciato la costruzione di un nuovo impianto di batterie per veicoli elettrici a Commerce, in Georgia, che dovrebbe produrre 21,5 gigawattora di batterie agli ioni di litio all'anno entro il 2023.
Le batterie allo stato solido potrebbero migliorare notevolmente il chilometraggio e la sicurezza dei veicoli elettrici. Le aziende di batterie in rapida crescita, tra cui SK Innovation, vedono la commercializzazione di batterie completamente a stato solido come un punto di svolta per il mercato dei veicoli elettrici. Kyounghwan Choi, direttore del Next Generation Battery Research Center di SK Innovation, ha dichiarato: "Ci sono grandi speranze per la rapida applicazione e commercializzazione di batterie completamente allo stato solido attraverso il progetto in corso in collaborazione con SK Innovation e il professor Seung Woo Lee del Georgia Institute della tecnologia".